Определение электрической прочности газообразных диэлектриков (стр. 1 из 3)
Лабораторная работа № 7
По дисциплине «Материаловедение»
На тему: «Определение электрической прочности газообразных диэлектриков».
Преподаватель:
Белянов А.В.
Цель работы:
1. Экспериментальное исследование особенностей пробоя газообразных диэлектриков в однородном и неоднородном электрических полях.
2. Изучение электрической прочности газообразных диэлектриков в однородном и неоднородном электрических полях.
Вопросы:
1. Как происходит процесс электропроводности в газообразных диэлектриках?
2. Почему диэлектрики теряют электрическую прочность? Какие параметры характеризуют пробой? Поясните механизм пробоя воздуха.
3. Что представляют собой процессы электрического, электротеплового, электрохимического и ионизационного пробоя
4. Каковы преимущества газообразных диэлектриков перед остальными видами электроизоляционных материалов.
5. Что называют поляризацией диэлектрика. Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие замедленными? Установите взаимосвязь между видами поляризации и механизмом диэлектрических потерь?
6. Одинаково ли будет изменяться пробивное напряжение воздуха, если производить его нагревание: а) при постоянном давлении; б) при постоянном объёме.
7. Как влияет давление газа на его электрическую прочность и ионизационные потери?
8. Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрическом поле? Каким образом в газе можно создать однородное поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает?
9. В каких электротехнических устройствах в качестве диэлектрика используется воздух? Объясните, почему в качестве электроизоляционных материалов используются другие газы? Приведите примеры.
10. Какое влияние на величину электрической прочности воздуха оказывает форма электродов?
11. При каких условиях возникает самостоятельный разряд газа?
12. При каких условиях для электроизоляционных материалов соблюдается закон Ома ?
13. Изобразите графически зависимость напряжения пробоя воздуха от расстояния между электродами при постоянном давлении. Как изменится вид графика, если давление станет меньше первоначального ?
14. Изобразите графически зависимость напряжения пробоя газа от давления при различных расстояниях между электродами.
15. Как возникает и протекает электротепловой пробой? От каких факторов зависит величина пробивного напряжения при электротепловом пробое?
16. Как зависит пробивное напряжение от частоты приложенного напряжения и температуры окружающей среды?
17. Какими процессами обусловлено возникновение ионизационного пробоя? Для каких диэлектриков он характерен?
18. Какими факторами объясняется причина перехода электрического пробоя в область теплового пробоя?
19. Как изменяется пробивное напряжение воздуха на границе с твердым диэлектриком?
Отчёт должен содержать:
1. Принципиальную схему лабораторной установки
2. Таблицы результатов испытаний: 1, 2, 3.
3. Графики зависимости Uпр=f(h) и Епр=f(h) для воздуха в однородном и неоднородном электрическом поле
4. Выводы
Основные понятия о пробое
Диэлектрик, находящийся под действием электрического поля не слишком высокой напряженности, является непроводящей средой. Диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Образование в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется электрическим пробоем. При этом идет процесс разрушения диэлектрика,в результате чего, диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости. В таком состоянии будет находиться не весь образец, а только лишь узкий канал, направленный от электрода к электроду.
При обычных напряжениях вольт - амперная характеристика образца диэлектрика линейная, но с приближением U к Uпр отклоняется от линейной (рисунок 1)Рисунок 1 – Вольт – амперная характеристика
при пробое диэлектрика.
В момент пробоя ток утечки через диэлектрик резко возрастает, а сопротивление изоляции соответственно снижается, так что dI/dU®¥.
В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие чего образовывается сильно проводящий канал между электродами и образец оказывается короткозамкнутым, напряжение при этом начинает падать, несмотря на рост тока.
Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Епр.
Пробивное напряжение Uпр электрической изоляции зависит от ее толщины, т.е. от расстояния между электродами: чем толще слой электроизоляционного материала, тем выше пробивное напряжение. Но различные диэлектрики одной и той же толщины имеют отличные значения пробивного напряжения Uп.р.
Электрическая прочность Епр является важнейшим параметром диэлектрического материала, характеризует способность материала противостоять разрушению в электрическом поле и широко используется при расчетах и конструировании электрической изоляции, машин, трансформаторов, кабелей, конденсаторов и других устройств, а также для оценки их надежности и долговечности
Для простейшего случая однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле:
Eпр = Uпр/h(1)
где Eпр– электрическая прочность В/м; МВ/м
Uпр– пробивное напряжение, В;
h– толщина диэлектрика в месте пробоя, м.
Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции Uраб должно быть существенно меньше пробивного напряжения. Отношение Uпр/ Uраб называют коэффициентом запаса прочности.
Физическая природа пробоя
Различают четыре основных вида пробоя диэлектриков:
1. Электрический пробой.
2. Электротепловой пробой.
3. Электрохимический пробой.
4. Ионизационный пробой.
Электрический пробой. Этот вид пробоя вызывается ударной ионизацией электронами и протекает практически мгновенно в течение 10-8– 10-5 с. В процессе электрического пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, молекул или ионов. В случае электрического пробоя электрическая прочность Епр газообразного диэлектрика (воздуха) при нормальных условиях достигает значения Епр = 3МВ/м (амплитудное значение для U~ , h=1 см)
Электротепловой (тепловой) пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Время развития и величина Uпр теплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10-3– 10-2 с., он во много раз медленнее электрического.
При электротепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения (при возрастании частоты Uпр уменьшается) и от температуры окружающей среды (начальной работы температуры диэлектрика), уменьшаясь при ее возрастании.
Переход из области чисто электрического пробоя в область электротеплового пробоя зависит от следующих факторов:
- возрастание начальной температуры;
- переход от постоянного напряжения к переменному с дальнейшим повышением частоты;
- ухудшение условий охлаждения.
Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля. Время развития электрохимического пробоя составляет 103– 108 с. и называется временем жизни диэлектрика tж. Время жизни зависит от напряжения и температуры: с увеличением напряжения или температуры tж, как правило, уменьшается.
Ионизационный пробой обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике и объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика. Он характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях электрического в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование ионов и выделение тепла. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Епр.
Пробой газообразных диэлектриков
Газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике: высоковольтные выключатели, газонаполненные конденсаторы, распределительные устройства электростанций. В ряде случаях присутствие газообразных диэлектриков становится неизбежным. В линиях электропередачи высокого напряжения, в электроизоляционных узлах трансформаторов воздух является основной изолирующей средой.