WYTRZYMAŁOŚĆ POWIETRZA PRZY NAPIĘCIU

PRZEMIENNYM 50 Hz

W POLU NIERÓWNOMIERNYM

1. Omówienie tematu

Powietrze jako dielektryk odgrywa dominującą rolę w przesyle i rozdziale energii elektrycznej przy wysokim napięciu. Decyduje o tym naturalna wszechobecność powietrza jako zasadniczego składnika atmosfery oraz fakt, że izolacja powietrzna jest samoregenerująca się; po przebiciu powietrze jest zdolne zdejonizować się po bardzo krótkim czasie - rzędu 10 ms.

Niestety średnia wytrzymałość elektryczna powietrza w urządzeniach elektroenergetycznych jest stosunkowo niska wobec znacznej nierównomierności rozkładu pola elektrycznego w odstępach izolacyjnych. W związku z tym mechanizm przebicia jest odmienny niż w polu równomiernym. Wspólne są procesy inicjujące wyładowanie: pobudzenie cząstek, jonizacja zderzeniowa elektronowa. Natomiast znacznie większą rolę przypisuje się fotojonizacji, ładunkom przestrzennym i ich przemieszczaniu się w przestrzeni międzyelektrodowej. Zjawiska te są charakterystyczne dla kanałowego mechanizmu przebicia gazu.

Ponieważ przebicie gazu w polu nierównomiernym ma charakter procesu, który rozwija się w przestrzeni i zależy od czasu oraz wartości przyłożonego napięcia, możliwe jest obserwowanie w układach o polu nierównomiernym wyładowań wstępnych (ulot, świetlenie, korona, wyładowania niezupełne - są to synonimy), a przy większych odległościach wyładowań steemerowych.

Przygotowanie się do ćwiczenia wymaga znajomości zagadnień przedstawionych w podręczniku [2] (rozdz. 2.1).

2.Zadania

Wyznaczyć zależność napięcia świetlenia U₀ i napięcia przebicia U_p od odstępu elektrod iskiernika ostrzowego w zakresie od 2 do 23 cm. Napięcie świetlenia oszacować wizualnie w zaciemnionym pomieszczeniu.

-1. Wykonać 20 pomiarów napięcia przebicia przy odstępie elektrod dobranym tak by U_p odpowiadało 0,5 U_n transformatora probierczego TP 110.

-1. Stosując układ do oscylografowania prądów i napięcia przedstawionego na rys. 1. wyznaczyć napięcie pojawienia się wyładowań niezupełnych U₀ dla ujemnej i dodatniej biegunowości ostrza. Badania wykonać dla największego odstępu elektrod z pkt. 1. Przy założeniu częstotliwości wyładowań niezupełnych f = 250 kHz, obliczyć wartość impedancji, z której zbiera się napięcie na oscyloskopie. Przerysować przebiegi prądowe przy dodatniej i ujemnej biegunowości ostrza, odczytać amplitudy i obliczyć wartości prądów.

-1. Wyznaczyć dla 20 pomiarów napięć przebicia parametry rozkładu normalnego U₅₀ i z, porównać je z wartościami obliczonymi dla pola równomiernego.

-1. Obliczyć napięcie przebicia U_p ze wzoru empirycznego dla tych samych odstępów elektrod oraz największe natężenie pola w iskierniku ostrzowym przy założeniu, że kąt a = 6⁰.

3. Układy pomiarowe

Układ probierczy typowy - jak na rys.1.15 w pracy [1] z transformatorem TP 110. Rzeczywista przekładnia transformatora wynosi h = 470.

Układ do oscylografowania napięć i prądów przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do oscylografowania napięć i prądów w układzie ostrzowym. W_i - wyjście od oscylografowania przebiegów prądowych, W_n - wyjście z dzielnika pojemnościowego do oscylografowania napięcia, Ł - zwieracze, O_p - ochronnik przeciwprzepięciowy, R₁ - 2000 W, R₂ - 100 W, L - 3,0 mH, C₁ - 100 nF, C₂ - 100 nF.

4. Podstawowe pojęcia i zależności

Wzór empiryczny BBC na obliczenia napięcia przeskoku w polu nierównomiernym niesymetrycznym przy odstępach elektrod a > 6 cm.

U_p = 3,16 a +14 gdzie: U_p - napięcie przebicia w [kV], a - odstęp elektrod w [cm].

Wzór został wyznaczony dla T - 293 K, b = 950 hPa, w = 13 g/m³.

Natężenie maksymalne pola elektrycznego E_max w iskierniku ostrzowym można obliczyć przy założeniu, że ostrza mają kształt hiperboloidalny (w przekroju osiowym elektrody przedstawiają hiperbolę, którą określa się przez oś a oraz przez ogniskową l albo przez kąt a zawarty między osią i asymptodą przechodzącą przez środek O (rys. 2).

Dla bardzo małych kątów ( a < 7⁰) wzory powyższe można uprościć np:

Do obliczeń przyjąć a = 6⁰ (0,105 rad)

Rys. 2. Aproksymacja elektrod ostrzowych do hiperboloid obrotowych.

5. Sprawozdanie

Wyniki ćwiczenia należy ująć we wspólnym sprawozdaniu ze sprawozdaniem z ćwiczenia IV. Sprawozdanie winno spełniać zawierać:

• wykresy U₀ = f(a) i U_p = f(a) wykonane na podstawie wykonanych pomiarów,

• wykresy U_p = f(a), E_max = f(a) i b = f(a) wykonane na podstawie obliczeń

• obliczone wartości prądów wyładowań niezupełnych według załączonego szkicu oscylogramu.

6. Zagadnienia kontrolne

Różnice rozwoju wyładowań w polu równomiernym i nierównomiernym.

Formy wyładowań niezupełnych i zupełnych.

Wpływ warunków atmosferycznych na wytrzymałość powietrza.

Iskiernik ostrzowy jako element ochrony odgromowej.

7. Literatura

Praca pod redakcją J. Fleszyńskiego, "Laboratorium wysokonapięciowe w dydaktyce i elektroenergetyce", OWPWr 1999 r.

[2] Flisowski, "Technika Wysokich Napięć" PWN Warszawa 1988/92/95.

3

---