Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy
w Bydgoszczy
Wydział Telekomunikacji i Elektrotechniki
Zakład Elektroenergetyki
Laboratorium Materiałów Elektrotechnicznych
Instrukcja do ćwiczenia
Badanie wytrzymałości elektrycznej papieru
Opracował mgr in\
. Sebastian Zakrzewski
Bydgoszcz, 2006 r.
1. Wprowadzenie
Napięcie przebicia Up jest to najmniejsza wartość skuteczna napięcia
przyło\
onego do próbki przy której następuje jej przebicie. Wytrzymałość
dielektryczna materiału Ep jest to iloraz uzyskanego napięcia przebicia Up
i grubości d [4].
U
p
E = (1)
p
d
Wytrzymałość dielektryczna materiałów izolacyjnych stałych jest
ograniczona przez zjawisko przebicia elektrycznego. Przebicie to jest
wyładowaniem zupełnym, powodującym trwałe zniszczenie materiału
stałego. Powstaje kanał przebicia, którego wytrzymałość dielektryczna
w odró\
nieniu od wytrzymałości dielektrycznej oleju izolacyjnego nie
regeneruje się. W materiałach organicznych powstaje zwęglony kanał
o znacznej konduktywności. Niekiedy izolacja (np. ceramiczna) pęka,
zostaje rozbita lub spalona.
Mo\
na rozró\
nić następujące mechanizmy przebicia [3]:
a) mechanizm elektryczny,
b) mechanizm starzenia,
c) mechanizm cieplny.
O wytrzymałości elektrycznej dielektryka mogą decydować efekty
krawędziowe, które mogą wystąpić na skutek niedokładnego wypełnienia
materiałem stałym przestrzeni między elektrodami. W takim przypadku
przy krawędzi elektrod występuje inny niepo\
ądany materiał (np.
powietrze) o małej przenikalności.
Je\
eli napięcie przyło\
one do układu elektrod jest dostatecznie du\
e
to w powietrzu między elektrodą i materiałem izolacyjnym stałym powstaje
wyładowanie samodzielne. Wyładowania te mogą być uwa\
ane za
niezupełne dopóki materiał izolacyjny stały wytrzymuje pełne napięcie.
2
Jednak elektrony pochodzące z wyładowań samodzielnych w powietrzu
mogą przenikać do materiału izolacyjnego stałego i przyśpieszać
elektryczny mechanizm przebicia. Mo\
e tak\
e występować nagrzewanie
materiału stałego przez wyładowanie niezupełne i wynikający z tego udział
tych wyładowań w cieplnym mechanizmie przebicia. Szkodliwe
oddziaływanie chemiczne produktów wyładowań mo\
e te\
przyśpieszyć
mechanizm starzenia.
Je\
eli dwa (lub więcej) materiały izolacyjne pracują w taki sposób,
\
e ich powierzchnie graniczne są prostopadłe do linii pola elektrycznego,
to jest to układ warstwowy o szeregowej współpracy dielektryków (rys.
1).
Rys. 1. Uwarstwienie dielektryków prostopadle do linii sił pola elektrycznego:
k, h - elektrody płaskie,
a, b - dielektryki o przenikalnoÅ›ci elektrycznej µa i µb,
Ka, Kb - natÄ™\
enie pola elektrycznego w dielektrykach a i b.
NatÄ™\
enie pola elektrycznego Ka i Kb z obu stron ka\
dej
powierzchni granicznej jest odwrotnie proporcjonalne do przenikalności
elektrycznej µa i µb u\
ytych materiałów:
Ka µb
=
(2)
Kb µa
Z zale\
ności (2) wynika, i\
materiał o mniejszej wartości
przenikalności dielektrycznej jest silniej naprę\
ony.
Odpowiednią grubość izolacji często uzyskuje się przez nało\
enie
wielu warstw bibułki, ceratki, miki lub innych materiałów, które następnie
nasyca siÄ™ syciwem, olejeni lub lakierem izolacyjnym. W przypadku, gdy
np. izolacja papierowo-olejowa jest niedostatecznie nasycona olejem, to
3
natÄ™\
enie pola elektrycznego K1 w szczelinie powietrznej jest µ2r razy
większe od natę\
enia pola elektrycznego K2 w dielektryku stałym:
(3)
K1 = µ Å" K2
2r
gdzie: µ2r - przenikalność elektryczna wzglÄ™dna materiaÅ‚u izolacyjnego
stałego.
Przy czÄ™sto spotykanych wartoÅ›ciach 3 d" µ2r d" 8 Å‚atwo powstajÄ…
wyładowania samodzielne w szczelinach powietrznych.
2. Przebieg ćwiczenia
2.1. Układ pomiarowy
Rys. 2. Schemat połączeń układu pomiarowego.
Al, A2 - elektrody do badań materiałów warstwowych,
P - badana próbka,
N - naczynie napełnione olejem,
KO - komora wysokiego napięcia,
Tl - transformator probierczy,
T2 - autotransformator regulujÄ…cy,
V - woltomierz,
Rl - rezystor ograniczajÄ…cy,
R2 - rezystor bocznikujÄ…cy,
S2 - przekaz
nik nadprÄ…dowy zabezpieczenia prÄ…dowo zwarciowego,
PC - przełącznik czułości zabezpieczenia,
S1 - stycznik główny,
Sb - łącznik krańcowy,
Pl, P2 - przyciski załączania i wyłączania układu,
Z - uziemiacz.
4
2.2. Przygotowanie próbek
Próbki powinny być zło\
one z m prostokÄ…tnych arkuszy (warstw)
papieru o krótszym boku g > 10 cm. Składanie nale\
y wykonać w stanie
zanurzenia tych arkuszy w oleju.
Do badania papieru nie zanurzonego w oleju nale\
y wykorzystać
elektrodę Al (górną) umytą w rozpuszczalniku i dokładnie wysuszoną,
natomiast na elektrodzie A2 nale\
y poło\
yć dodatkową płytkę nale\
Ä…cÄ… do
wyposa\
enia stanowiska.
Za grubość da badanego papieru nale\
y przyjąć średnią arytmetyczną
z pięciu pomiarów grubości papieru wykonanych przy pomocy śruby
mikrometrycznej.
2.3. Sposób wykonania pomiarów
Próbkę izolacji przygotowaną zgodnie z 2.2. umieścić między
elektrodami Al i A2 po czym wyznaczyć napięcie przebicia Upm. W ten
sposób przebadać pięć próbek zło\
onych z tej samej liczby m arkuszy.
Odczytane z woltomierza V napięcia Uv (odpowiadające napięciom Upm1,
Upm2 ..... Upm5) wpisać w kolumnę 7 tabeli. Pomiary wykonać dla próbek izolacji
zło\
onych z 1,2 . . . m ... n arkuszy papieru. Za n nale\
y uznać największą
liczbę arkuszy w próbce przy której jeszcze udaje się uzyskać przebicie
próbki podnosząc napięcie między elektrodami Al i A2 do wartości
30 kV (lub do innej podanej przez prowadzącego ćwiczenie).
Wytrzymałość skrośna próbki mo\
e okazać się większa od
wytrzymałości powierzchniowej. W takim przypadku kanał wyładowania
zupełnego rozwija się po powierzchni próbki.
Podczas badania próbek nie zanurzonych w oleju nale\
y za n przyjąć taką
samą liczbę jak dla próbki w oleju. Wartość napięcia probierczego nale\
y
podnosić w sposób ciągły od zera do napięcia przebicia, które powinno
być osiągnięte w czasie 10 do 20 sekund od chwili rozpoczęcia pomiaru.
5
2.4. Sposób obsługi układu pomiarowego
Po umieszczeniu badanej próbki P między elektrodami Al i A2 nale\
y
zamknąć pokrywę KO (co spowoduje zwarcie się styku blokującego Sb),
załączyć wyłącznik W i załączyć stycznik St przez naciśnięcie
przycisku P1. Napięcie probiercze nale\
y zmieniać obracając
pokrętło autotransformatora T2 w sposób podany w p 2.3.
Napięcie Upm oblicza się z zale\
ności:
Upm=300Å"UV (4)
gdzie: UV jest wskazaniem woltomierza V odczytanym bezpośrednio
przed wystąpieniem przebicia próbki P.
Przed przystąpieniem do wymiany badanej próbki P między
elektrodami Al i A2, nale\
y bezwzględnie wykonać następujące czynności
przestrzegajÄ…c ni\
ej podanej kolejności:
sprowadzić pokrętło autotransformatora T2 do zera,
nacisnąć przycisk P2,
otworzyć wyłącznik W,
otworzyć pokrywę komory wysokiego napięcia KO,
rozładować elektrodę Al i A2 przez kilkakrotne dotknięcie
ka\
dej z nich uziemiaczem Z trzymanym za izolowany uchwyt.
2.5. Tabela pomiarów i obliczeń
Liczba Grubość
Próba: w
Badany materiał
warstw próbki
L.p. oleju (+) UV Upm pm
U E
pm
m dm bez oleju (-)
rodzaj grubość
kV
- - mm - mm V kV kV
mm
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
6
2.6. Opracowanie wyników pomiarów
2.6.1. Na podstawie wyników odnotowanych w kolumnie 7 tabeli
i zale\
ności (4) nale\
y obliczyć wartość napięcia przebicia Upm po czym
wyznaczyć wartość średnią arytmetyczną Upm tego napięcia dla próbek
izolacji o jednakowej liczbie m arkuszy papieru, czyli wyznaczyć:
5
"U pm
(5)
k =1
U =
pm
5
Uzyskane wyniki wpisać w kolumnie 9 tabeli.
2.6.2. Przyjmując upraszczające zało\
enie, \
e grubość próbki zło\
onej z
m arkuszy wynosi:
dm = 1.3Å" da Å" m (6)
gdzie: da - grubość pojedynczego arkusza w mm.
Obliczyć wytrzymałość dielektryczną:
U
pm
E =
pm
(7)
dm
próbek zło\
onych z 1 d" m d" n arkuszy:
a) zanurzonych w oleju,
b) suchych.
Wyniki obliczeń wpisać w kolumnie 10 tabeli.
2.6.3. Wykreślić zale\
ności E = f (m) oraz U = f (m) dla próbek
pm pm
badanych w oleju i próbek suchych.
2.6.4. Porównać obliczone w p. 2.6.2. wytrzymałości dielektryczne
z wytrzymałością dielektryczną oleju wykorzystywanego w ćwiczeniu
(przyjmując wytrzymałość oleju Epo = 7 kVsk mm-1.
7
Na podstawie porównań poszczególnych przebiegów zale\
ności
napięcia od grubości zastosowanej izolacji nale\
y stwierdzić który rodzaj
układu izolacyjnego (papier, papier-olej, olej) jest najbardziej korzystny ze
względu na napięcie przebicia przy określonej grubości (to jest przy
określonym odstępie między elektrodami A1 i A2). Nale\
y równie\
podać
uwagi, spostrze\
enia i wnioski zwiÄ…zane z badanym zjawiskiem, sposobem
wykonywania pomiarów itp.
3. Literatura
[1] Celiński Z.  Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 1998 r.
[2] Szczepański Z.  Wyładowania niezupełne w izolacji urządzeń
elektrycznych. WNT Warszawa 1973r.
[3] Szpor S.  Technika wysokich napięć. WNT Warszawa 1978r.
[4] PN-86/E-04404  Materiały elektroizolacyjne stałe, Metody pomiaru
wytrzymałości dielektrycznej napięciem o częstotliwości
przemysłowej.
SÅ‚owniczek angielsko-polski:
dielectric - dielektryk
breakdown voltage - napięcie przebicia
insulating material - materiał izolacyjny
discharge - wyładowanie
electric field intensity - natÄ™\
enie pola elektrycznego
meter circuit - układ pomiarowy
electrode - elektroda
transformer oil - olej trancformatorowy
8