Кафедра электроэнергетики и электротехники

ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА

Отчет выполнения лабораторной работы по Материаловедению №1: «Электрическая прочность твёрдых диэлектриков».

г. Владивосток

Цель работы: научиться обрабатывать статический ряд пробивных напряжений. Оценить зависимость расчётного значения электрической прочности от толщины диэлектрика и найти уровень испытательного напряжения для оценки твёрдой изоляции.

Краткие теоретические сведения:

Электрический пробой твёрдых диэлектриков однородной структуры по своей природе является чисто электронным процессом, когда появляется в разрядном промежутке свободный электрон (электрон, способный возбудить нейтральную молекулу до состояния ионизации). Этот свободный электрон становится причиной лавинного увеличения электронного тока в твёрдом диэлектрике и, как результат, канала пробоя. Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствие ионизации газовых включений, т.е. электрический пробой является мерой электрической прочности вещества.

В неоднородных твёрдых технических диэлектриках, например содержащие газовые включения, канал пробоя развивается быстро, как и в неоднородных диэлектриках. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков невысоки и мало отличаются друг от друга независимо от того, в каком поле находится диэлектрик – в однородном или неоднородном. Электрическая прочность твёрдых диэлектриков не зависит (или мало зависит) от толщины диэлектрика и будет оцениваться наличием дефектов, т.е. неоднородностью структуры. Снижение электрической прочности с увеличением толщины твёрдого диэлектрика связано с увеличением вероятности появления большего числа дефектов в испытуемом участке диэлектрика.

Явление электрического пробоя при одной и той же толщине твёрдого диэлектрика подчиняется статистическим закономерностям и имеет значительный разброс дискретных значений пробивного напряжения. Вероятность случайных пробивных напряжений определяется путём построения интегральной кривой вероятностей дискретных значений пробивных напряжений P(U_пр)=f(U_пр). Обычно дискретный ряд пробивных напряжений подчиняется нормальному закону (закону Гаусса) распределения случайных величин. Для этого все дискретные значения располагают в возрастающий по величине ряд чисел и задают каждому из них вероятность появления случайного числа (пробивного напряжения), затем строят зависимость вероятностей пробивных напряжений от величины пробивного напряжения при испытании твёрдого диэлектрика (рис. 1).

Рис. 1. Интегральное распределение пробивных напряжений

Интегральные кривые играют важную роль при расчётах электроизоляционных конструкций. Так, вероятность появления минимального значения пробивного напряжения говорит о явном присутствии дефекта в изоляции; напротив, вероятность появления максимального значения пробивного напряжения – отсутствие дефектов в изоляции (или пробой однородной структуры твёрдой композиции). 50%-ная вероятность пробивного напряжения служит для выбора рабочего напряжения аппарата, в котором можно использовать изоляционный материал, подвергающийся испытанию. Для этого достаточно найти электрическую прочность исследуемого диэлектрика, а затем разделить ее на 4, предполагая, что запас электрической прочности изоляционной конструкции 4 раза выше рабочего (номинального) напряжения аппарата. Найденное значение (табл. 1) можно рекомендовать как рабочее напряжение аппарата, при котором можно использовать данный диэлектрик.

Определение электрической прочности твёрдых диэлектриков проводят согласно ГОСТ 6433.3-71. Изменение напряжения может быть плавным или ступенчатым (одноминутным). В первом случае повышают напряжение от нуля до пробоя равномерно (плавно), чтобы пробой произошёл через 10-20 с после начала повышения напряжения. Таким образом, находят кратковременную электрическую прочность. Во втором случае напряжение поднимают ступенчато до пробоя диэлектрика начиная от величины 0, 5 ожидаемого пробивного напряжения. Увеличение напряжения ведут через 0, 2U₁ от величины первой ступени. На каждой ступени выдерживают напряжение в течение 1 мин. Таким образом, находят одноминутную электрическую прочность. Испытание ведут на установках типа АИИ-70 или АМИ-60.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с испытательной установкой АИИ-70 и мерами техники безопасности. Все испытания производят, стоя на диэлектрических ковриках. Включение установки производится только в присутствии преподавателя или лаборанта. Замену образцов производить только при отключенном от сети аппарате АИИ-70.

2. Проведение испытаний:

Поместить испытуемый образец между электродами;

Проверить заземление аппарата и закрыть крышку (замыкаются блок-контакты);

Поставить ручку регулятора напряжения в крайнее положение «чувствительность»;

Включить аппарат в сеть (при этом загорается зелёная сигнальная лампа);

Включив автоматический выключатель ВА, подать напряжение на высоковольтный трансформатор (при этом загорается красная лампа);

Плавно повышать напряжение, наблюдая за показаниями вольтметра, до пробоя диэлектрика; отсчёт производить по наибольшему отклонению стрелки вольтметра перед пробоем.

3. Повторить измерения согласно п. 2 не менее 10 раз. Результаты занести в табл. 1 и построить интегральную кривую вероятностей пробивных напряжений.

Таблица 1

Определение вероятностей пробоя диэлектрика

в зависимости от величины приложенного напряжения

4. Произвести измерение U_пр согласно п.2, изменяя толщину диэлектрика (от 1 до 4 листов электротехнического картона). Для каждой толщины получить не менее трёх значений пробивного напряжения и подсчитать среднее арифметическое из этих значений. Результаты занести в табл. 2. Рассчитать значение E_пр по формуле:

E_пр =

и построить график зависимостей: U_пр = f(h), E_пр = f(h).

Таблица 2

Электрическая прочность диэлектрика

1) U_ср1 = = 6 1) E_пр1 = = = 13, 33

2) U_ср2 = = 9, 67 2) E_пр2 = = = 10, 74

3) U_ср3 = = 13, 67 3) E_пр3 = = = 10, 13

4) U_ср4 = = 15, 67 4) E_пр4 = = = 8, 71

5. Диэлектрик заданной толщины поставить под электроды для электрического старения в течение 10 мин. Напряжение старения U_ст установить равное минимальному из первого опыта (п. 3), чтобы диэлектрик выдержал это напряжение старения в течение 10 мин. Если диэлектрик пробивается, то снижают напряжение старения на 0, 5 кВ. Затем устанавливают диэлектрик под среднее значение напряжения из первого опыта (п. 3) и добиваются, чтобы диэлектрик пробился после пятой и десятой минуты. Затем выполняют третий опыт старения диэлектрика под максимальным напряжением из первого опыта, чтобы пробой диэлектрика произошёл на первой и на пятой минутах старения. После этого опыта строят кривую зависимости U_пр = f(U_ст), причём для первого опыта по п.5 берут U_пр1 = U_max из опыта по п. 3; для второго опыта по п. 5 берут U_пр2 = U_ст из опыта по п. 3; для третьего опыта по п. 5 берут U_пр3 = 0, так как такой уровень напряжения не может быть безопасным, но не старящим изоляцию в течение 10 мин испытания или изоляция пробьётся по время испытаний. Из кривой U_пр = f(U_ст) (рис. 2) устанавливают напряжение U_б – безопасное, не старящее диэлектрик за 10 мин или не вызывающее электрического старения за то время, пока воздействует высокое напряжение старения. Следовательно, это U_б и является уровнем равного или меньшего по значения испытательного напряжения в течение 1 мин:

U_раб ≤ U_исп ≤ U_б

Это напряжение можно рекомендовать как испытательное для данного диэлектрика.

Рис. 2. Определение уровня безопасного напряжения