POLITECHNIKA

ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE 4

BADANIE WYŁADOWAŃ ŚLIZGOWYCH

I. WIADOMO

ŚCI TEORETYCZNE

1. Wst

ęp

Wyładowaniami ślizgowymi nazywamy wyładowania powierzchniowe rozwijające się wzdłuż granicy

rozdziału ośrodków – gazowego i stałego (lub ciekłego) – w układach izolacyjnych uwarstwionych uko-
ś

nie. Z uwarstwieniem ukośnym mamy do czynienia wtedy, gdy linie sił pola elektrycznego padają na

granicę ośrodków ukośnie, pod kątem 0

°

<

α

< 90

°

. Przedstawicielem takich układów jest izolator prze-

pustowy służący do przeprowadzenia przewodu wysokiego napięcia przez ścianę budynku lub obudowę
urządzenia (np. kadź transformatora). W badaniach laboratoryjnych mechanizmu wyładowań ślizgowych
wykorzystuje się najczęściej układ pręt–dielektryk–płyta.

0,4

1,0

4

E

x

/E

max

0,2

1,0

0,8

0,6

x/l

3

0,4

0,6

0,2

0

x

U

x

/U

U

2

1

0,8

U

x

/U

E

x

/E

max

0

l

Rys. 1. Przekrój układu o charakterze przepustowym oraz rozkład napięcia i natężenia pola elektrycznego
wzdłuż powierzchni: 1 - szyna wysokiego napięcia, 2 - dielektryk, 3 - okucie zewnętrzne, 4 - linie sił pola elek-
trycznego

Wyładowania elektryczne w takich układach rozwijają się szczególnie łatwo w wyniku silnie niejed-

nostajnego rozkładu pola elektrycznego posiadającego składową styczną i normalną do powierzchni.
Przeskok elektryczny wzdłuż powierzchni zachodzi przy napięciu niższym niż w układzie ostrzowym
przy takim samym odstępie elektrod. Rozwój wyładowań powierzchniowych przybiera w funkcji napię-
cia różne formy (rys. 2).

Jeżeli podnosi się łagodnie napięcie przyłożone do elektrod układu o charakterze przepustowym, to po

przekroczeniu napięcia początkowego wyładowań zauważa się najpierw na krawędzi elektrody mniejszej
wyładowania świetlące. Przy dalszym podnoszeniu napięcia wyładowanie świetlące rozszerza się, po-
krywając coraz dalszą przestrzeń powierzchni dielektryka wokół tej elektrody. Wreszcie po osiągnięciu
pewnego napięcia, zwanego napięciem początkowym iskier ślizgowych (U

0śl

), na tle niebieskawych nitek

wyładowań powierzchniowych ślizgowych zaczynają się pojawiać z głośnym trzaskiem pojedyncze, sil-
nie świecące iskry. Są to iskry ślizgowe. Zapoczątkowują one najważniejszą z punktu widzenia trwałości
układu izolacyjnego gorącą fazę wyładowań ślizgowych. Wysoka temperatura plazmy jest przyczyną
niszczenia dielektryka, a silny wzrost długości iskier ślizgowych wraz ze wzrostem napięcia sprawia, że
napięcie przeskoku jest niewiele wyższe od napięcia zapoczątkowującego ich rozwój.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

2

Intensywne wyładowania powierzchniowe ślizgowe w zakresie napięcia U

0

÷

U

0śl

(zimna plazma) po-

wodują również degradację dielektryków (zwłaszcza organicznych). Napięcie początkowe wyładowań U

0

jest najczęściej bardzo niskie (nawet poniżej 1 kV), a zakres rozwoju wyładowań strimerowych szeroki.

2. Wyładowania powierzchniowe przy napi

ęciu przemiennym

2.1. Wyładowania podtrzymywane

Nierównomierny rozkład napięcia wzdłuż powierzchni dielektryka można wyjaśnić posługując się

schematem zastępczym (rys. 4a).

E

ł

C

j

C

j

C

j

t

C

j

C

j

u

i

u

c)

i

E

p

E

p

E

ł

R

p

R

p

R

p

R

p

C

p

C

p

C

p

C

p

C

p

a)

b)

R

p

Rys. 4. Schemat zastępczy dielektryka dla wyładowań powierzchniowych (a) oraz rozkład ładunków
w czasie wyładowań powstałych w dodatnim i ujemnym półokresie napięcia (b): R

p

- rozłożone rezystan-

cje powierzchniowe, C

p

- rozłożone pojemności powierzchniowe, C

s

- rozłożone pojemności skrośne, E

p

-

pole przyłożone, E

ł

- pole ładunku powierzchniowego. Wykres (c) pokazuje impulsy prądu wyładowań

powierzchniowych na tle sinusoidy napięcia zasilającego

Wyładowania niesamoistne
jedno- i wielolawinowe

Zakres wyładowań
strimerowych (zimna plazma)

0

U

0f

U

0

U

0śl

U

p

Rozwój iskier ślizgowych
(gorąca plazma)

Rys. 2. Rozwój wyładowań powierzchniowych

w funkcji

przyłożonego napięcia. U

0f

- napięcie początkowe wyła-

dowań niesamoistnych (wyładowania wykrywane przy
użyciu fotopowielaczy), U

0

- napięcie początkowe wyłado-

wań strimerowych, U

0śl

- napięcie początkowe iskier śli-

zgowych, U

p

- napięcie przeskoku wzdłuż powierzchni

Rys. 3. Wyładowania ślizgowe przy napięciu
przemiennym (o wartości U < U

0śl

) w układzie

o charakterze przepustowym

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

3

Przy dużej rezystywności powierzchniowej dielektryka napięcie przyłożone do układu wzrasta szyb-

ciej niż napięcie na pojemnościach skrośnych (C

s

) ładowanych przez rezystancje R

p

. Na stosunkowo ma-

łych pojemnościach C

p

, tuż przy elektrodzie, mogą wystąpić napięcia wystarczające do wywołania joni-

zacji powierzchniowej. Dogodne warunki do wystąpienia wyładowań powierzchniowych ślizgowych wy-
stępują w przypadku dielektryków stałych mających rezystywność powierzchniową większą niż 10

12

Ω

.

Po wystąpieniu wyładowań w czasie narastania napięcia na mniejszej elektrodzie (dodatni półokres)

w sąsiedztwie tej elektrody gromadzi się na powierzchni dielektryka mniej ruchliwy dodatni ładunek
elektryczny wytwarzający własne pole elektryczne (rys. 4b). Pole to, w pobliżu elektrody, jest przeciwnie
skierowane niż pole przyłożone. Ładunek przestrzenny tego samego znaku co elektroda przeciwdziała
dalszemu rozwojowi wyładowań. Przy zmniejszaniu się napięcia i narastaniu ujemnego półokresu pola
przyłożonego powierzchniowy ładunek dodatni wzmacnia pole w pobliżu elektrody prowokując powsta-
nie wyładowań przy narastaniu ujemnego półokresu napięcia. Wyładowania te powodują najpierw zneu-
tralizowanie powstałego ładunku przestrzennego, a następnie gromadzenie się przy elektrodzie ładunku
o przeciwnym znaku niż poprzednio, czyli o tym samym znaku co elektroda.

Występujące zjawisko podtrzymywania się wyładowań wskutek działania ładunku przestrzennego

gromadzącego się przy elektrodzie to przyczyna nazwania tych wyładowań wyładowaniami podtrzymy-
wanymi. Napięcie, przy którym te wyładowania pojawiają się to napięcie początkowe wyładowań podtrzy-
mywanych. Wyładowania podtrzymywane uważane są za początkową formę wyładowań ślizgowych.

2.2. Iskry

ślizgowe

Iskry ślizgowe są kontynuacją wyładowań ślizgowych podtrzymywanych. Napięcie początkowe iskier

ś

lizgowych jest bardzo ważne, gdyż wytrzymałość układu jest niewiele wyższa od tego napięcia. Powsta-

nie iskry ślizgowej, czyli kanału o dużej przewodności, uwarunkowane jest wzrostem napięcia i prądu do
wartości umożliwiającej wystąpienie jonizacji cieplnej.

Z uwagi na to, że prąd iskier ślizgowych zamyka się na drodze pojemnościowej, prąd ten będzie tym

większy i jednocześnie napięcie początkowe iskier ślizgowych będzie tym niższe, im ta pojemność bę-
dzie większa. Wartość skuteczną napięcia początkowego iskier ślizgowych można obliczyć z doświad-
czalnego wzoru Toeplera

4

44

,

0

j

śl

0

10

C

355

,

1

U

−

⋅

=

[kV].

(4.1)

Pojemność C

j

[F/cm

2

] jest pojemnością jednostkową układu izolacyjnego rozumianą jako pojemność

przypadającą na jednostkę powierzchni dielektryka w sąsiedztwie mniejszej elektrody (z której wychodzą
iskry ślizgowe). Wzór powyższy jest słuszny dla C

j

> 0,25

⋅

10

–12

F/cm

2

.

Dla układu z płaskim dielektrykiem (pręt–dielektryk–płyta), przy jego przenikalności dielektrycznej

względnej

'

ε

i grubości d, pojemność jednostkową możemy obliczyć z zależności

d

'

C

0

j

ε

ε

⋅

=

,

(4.2)

a dla układu przepustowego

r

R

ln

R

'

C

0

j

⋅

⋅

=

ε

ε

,

(4.3)

gdzie: R i r - promienie elektrod: zewnętrznej i wewnętrznej.

Wiedząc, że przenikalność dielektryczna próżni wynosi

ε

0

= 10

–11

/36

π

= 8,84

⋅

10

–14

F/cm, wzory na na-

pięcie początkowe iskier ślizgowych przyjmą odpowiednio postać:

– dla układu z płaskim dielektrykiem

]

kV

[

'

d

8

,

74

U

44

,

0

ś

l

0













⋅

=

ε

,

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

4

– dla układu przepustowego

]

kV

[

'

r

R

ln

R

8

,

74

U

44

,

0

śl

0

























⋅

⋅

=

ε

.

Wielkość d/

ε

’ nazywana jest względną grubością dielektryka.

a)

d

1cm

2r

2R

1cm

b)

1cm

1cm

Rys. 5. Sposób wyznaczenia pojemności jednostkowej C

j

w układzie z płaskim dielektrykiem (a) oraz

w układzie przepustowym

2.2. Napi

ęcie przeskoku

Iskry ślizgowe obniżają wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych o uwarstwieniu ukośnym,

ponieważ wzrost długości tych iskier wraz z napięciem jest bardzo szybki. O wpływie iskier ślizgowych
na napięcie przeskoku powierzchniowego można mówić wtedy, gdy długość drogi przeskoku jest na tyle
duża, że napięcie przeskoku jest wyższe od napięcia początkowego iskier ślizgowych. Przy napięciach U
< U

0śl

wyładowania ślizgowe (zimne) obejmują swoim zasięgiem znaczny obszar i jeżeli sięgną drugiej

elektrody, dochodzi do przeskoku bez stadium rozwoju iskier ślizgowych.

Przytoczony poniżej wzór empiryczny daje nam wyobrażenie o szybkości rozprzestrzeniania się iskry

ś

lizgowej. Długość iskry ślizgowej wynosi

4

5

2
j

dt

dU

U

kC

l

=

[cm]

,

.

gdzie: l - długość iskry ślizgowej, k - współczynnik, U - przyłożone napięcie w kV (wartość szczytowa),

C

j

- pojemność jednostkowa w F/cm

2

, dU/dt - maksymalna szybkość wzrostu napięcia w kV/

µ

s

(dla napięcia sinusoidalnego równa

ω

U

max

).

Bezpośrednio z powyższego wzoru wynika zależność na napięcie przeskoku wzdłuż powierzchni przy

występowaniu iskier ślizgowych. W miejsce l

trzeba podstawić długość drogi przeskoku

l

p

20

5

2
j

p

p

dt

dU

1

kC

l

U

⋅

=

,

gdzie: l

p

- droga przeskoku.

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

5

3. Wyładowania powierzchniowe przy napi

ęciu udarowym

3.1. Figury Lichtenberga

Wyładowania powierzchniowe powstające na powierzchni dielektryka po przyłożeniu do układu o cha-

rakterze przepustowym napięcia impulsowego zaliczane są również do wyładowań ślizgowych. Wyłado-
wania te tworzą na powierzchni dielektryka figury zwane figurami Lichtenberga. Odegrały one dużą rolę
w poznaniu mechanizmu rozwoju wyładowań ślizgowych. Największe znaczenie miała fotograficzna
rejestracja wyładowań powstających bezpośrednio na materiale światłoczułym w układzie pręt (lub
ostrze)–błona fotograficzna–dielektryk–płyta (rys. 6).

Figury powstałe przy różnych biegunowościach napięcia elektrody prętowej różnią się znacznie od

siebie, pomimo że istotą zjawiska w obu przypadkach jest ruch elektronów. Figury powstałe przy dodat-
niej biegunowości tej elektrody nazywamy figurami dodatnimi, a przy ujemnej – ujemnymi. Można roz-
różnić dwa stadia rozwoju figur związane z różnymi stanami wyładowania. Są to pierwotne figury Lich-
tenberga (U < U

0śl

) oraz związane z występowaniem gorącej plazmy iskry wtórne. Rysunki 7 i 8 przed-

stawiają dodatnią i ujemną figurę pierwotną.

Prąd wyładowań ślizgowych i iskier ślizgowych, podobnie jak przy napięciu przemiennym, zamyka

się na drodze pojemnościowej

dt

dC

u

dt

du

C

dt

)

u

C

(

d

i

s

s

s

s

s

s

+

=

=

,

gdzie: C

s

- pojemność skrośna pod iskrą ślizgową zmieniająca się wraz z jej wielkością, u

s

- napięcie na

pojemności C

s

.

dielektryk

elektrody

światłoszczelna
komora

błona fotograficzna

U

Rys. 6. Układ do badania figur Lichtenberga

Ponieważ decydujący udział w prądzie wyładowań ma drugi składnik powyższego wyrażenia związa-

ny ze zmianą pojemności, istnieje również możliwość rozwoju iskier ślizgowych przy napięciu stałym.
Warunkiem wystąpienia takich wyładowań jest, aby rezystywność powierzchniowa dielektryka boczni-
kująca rozkład napięcia wynikający z pojemności była bardzo duża.

3.1.1. Rozwój figury dodatniej

Swobodne elektrony poruszają się w kierunku środka figury w polu o wzrastającym natężeniu joni-

zując gaz. Pozostawiają one za sobą dodatni ładunek przestrzenny, którego pole elektryczne łącznie
z polem przyłożonym stwarza dogodne warunki do rozprzestrzeniania się figury. Dalsze elektrony są
przyciągane przez ten ładunek dodatni tworząc nowe kanały i wydłużając gałęzie figury. Figura rozrasta
się dotąd, dopóki istnieje dostatecznie silne pole na końcach kanałów podtrzymujące dalszą jonizację.
Jak widać na rysunku 7, występuje tutaj tendencja do wytwarzania się wyraźnych kanałów wyładowań.

Rozwój iskier wtórnych rozpoczyna się, gdy wzrost intensywności procesów jonizacyjnych doprowa-

dza do podgrzania gazu i wystąpienia jonizacji cieplnej w kanałach wyładowań. Iskra dodatnia rozwija
się w sposób ciągły – gałęzie boczne zaczynają obumierać, a nowe elektrony tworzą się w procesie foto-
jonizacji w przedniej części kanału powodując jej rozrastanie się (rys. 9).

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

6

Rys. 7. Pierwotna figura Lichtenberga dodatnia Rys. 8. Pierwotna figura Lichtenberga ujemna

Rys. 9. Rozwój figury wtórnej dodatniej Rys. 10. Rozwój iskier wtórnych ujemnych

3.1.2. Figura ujemna

Jak widać na rysunku 8, pierwotna figura ujemna jest dużo mniejsza od dodatniej i wygląda zupełnie

inaczej. Elektrony poruszają się tutaj od elektrody na zewnątrz w polu elektrycznym o malejącym natę-
ż

eniu. Elektrony jonizują gaz pozostawiając za sobą przestrzenny ładunek dodatni osłabiający promie-

niowe pole przyłożone. W ten sposób utrudnione jest rozprzestrzenianie się figury. Nie istnieją uprzywi-
lejowane kierunki wyładowania – rozszerza się ono sektorowo i w pewnej, praktycznie jednakowej odle-
głości od elektrody, zanika. Widoczne na tle sektorów figury ujemnej gałęzie wyładowań charaktery-
stycznych dla figury dodatniej, powstały po zaniku ujemnego napięcia impulsowego powodując zwrotny
przepływ elektronów w kierunku elektrody.

Iskra ujemna (rysunek 10 przedstawia początek jej rozwoju) rozpoczyna się od środka figury, ponie-

waż występuje tutaj wysoka różnica potencjałów między dodatnim ładunkiem a ujemną elektrodą.
W przeciwieństwie do iskry dodatniej iskra ujemna rozwija się skokowo wraz ze wzrostem chwilowej
wartości napięcia. Po pierwszym skoku zatrzymuje się na granicy figury ze względu na niskie natężenie
pola w tym miejscu. Może rozwijać się dalej nawet w kierunku stycznym do figury, a ponowny skok
w kierunku promieniowym wystąpi po zaistnieniu ku temu warunków.

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

7

3.2. Klidonografy

Fotograficzna metoda rejestracji wyładowań powierzchniowych znalazła zastosowanie w przyrządach

zwanych klidonografami. Za pomocą pierwotnej figury Lichtenberga można określić biegunowość
i wartość szczytową przepięć piorunowych, a także maksymalną stromość prądów piorunowych

przez

pomiar napięć indukowanych przez te prądy. Największe znaczenie praktyczne ma zależność

ś

rednicy

figury Lichtenberga od wartości szczytowej napięcia. Układ klidonografu (np. z rysunku 6) wymaga wy-
skalowania z uwzględnieniem czułości materiału fotograficznego. Pomiar polega na pomiarze średnicy
figury i odczycie wartości napięcia z krzywej U

max

= f

(d).

4. Metody podwy

ższania napięcia początkowego iskier ślizgowych

Ze względu na niekorzystne działanie iskier ślizgowych na wytrzymałość układów o charakterze

przepustowym podejmuje się różne środki zaradcze celem niedopuszczenia do ich rozwoju. Powiększe-
nie napięcia początkowego iskier ślizgowych można uzyskać stosując następujące metody:

a)

powiększenie grubości dielektryka stałego,

b)

zastosowanie dielektryków o mniejszej przenikalności lub układów uwarstwionych z takimi
dielektrykami,

c)

zastosowanie barier w postaci kołnierzy, żeber, kloszy itp.,

d)

zastosowanie kieszeni metalizowanej,

e)

stosowanie powierzchni półprzewodzących zmieniających rozkład napięcia wzdłuż powierzch-
ni,

f)

sterowanie pojemnościowe rozkładem pola elektrycznego.

Sposoby wyszczególnione w punktach a, b, c i d wynikają bezpośrednio z interpretacji wzoru Toeple-

ra i polegają na zmniejszeniu pojemności jednostkowej układu przy elektrodzie mniejszej. Powiększenie
grubości dielektryka na całej długości układu prowadzi do ciężkich i kosztownych konstrukcji. Zastoso-
wanie żeber lub kloszy przy elektrodzie mniejszej to miejscowe zmniejszenie pojemności powodujące
zatrzymanie wyładowań ślizgowych.

b)

1

3

2

4

a)

3

2

Przykładem rozwiązania „b” jest izolator przepustowy porcelanowo–olejowy, mający grubą warstwę

oleju między szyną a osłoną ceramiczną. Taki układ daje znacznie mniejszą pojemność jednostkową niż
sama porcelana. W izolatorach przepustowych średnich napięć dielektrykiem wypełniającym korpus
porcelanowy jest powietrze.

Kieszeń metalizowana jest dość powszechnie stosowanym sposobem podwyższania U

0śl

. Ze względu

na powierzchnię przewodzącą wyładowania ślizgowe w obrębie kieszeni nie powstaną. Zakończenie
metalizacji wykonuje się w takim

miejscu, aby linie sił pola wchodziły z metalizacji wprost do porcelany

z ominięciem powietrza.

Sposób „e” polegający na wymuszeniu rezystancyjnego rozkładu napięcia wzdłuż powierzchni

(zmniejszenie rezystywności powierzchniowej) stosowany jest przy izolacji uzwojeń wyprowadzanych
ze żłobków maszyny wirującej. Powłoki półprzewodzące nanosi się najczęściej na części układu w po-
bliżu zewnętrznej elektrody układu o charakterze przepustowym.

Rys. 11. Sposoby podwyższania napięcia
początkowego iskier ślizgowych: a) przy
pomocy kieszeni metalizowanej i b)
żebra: 1 - kieszeń, 2 - metalizacja, 3 -
elektroda zewnętrzna, 4 - żebro

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

8

Na szczególną uwagę zasługuje sposób „f”.

W izolatorach przepustowych na najwyższe napięcia

robocze (

≥

110 kV) znajduje zastosowanie metoda sterowania pojemnościowego rozkładem pola. Izola-

tory takie noszą nazwę przepustów kondensatorowych, a ideę ich konstrukcji przedstawia rysunek 12.

Wewnątrz izolacji znajdują się ekrany w postaci koncentrycznych powierzchni przewodzących. Two-

rzywem ekranów może być folia aluminiowa, papier metalizowany, papier półprzewodzący itp. wprowa-
dzone do wnętrza dielektryka. Izolacja przepustu kondensatorowego jest zazwyczaj wykonana z papieru
bakelizowanego nałożonego na szynę prądową. W izolacji tej znajdują się ekrany (kilkadziesiąt), które
stanowi folia aluminiowa lub papier metalizowany. Przestrzeń pomiędzy korpusem porcelanowym a izo-
lacją stałą wypełnia olej mineralny.

l

i

a

i

∆

l

i

elektrody

A

A

ekrany

A - A

Rys. 12. Izolator przepustowy z ekranami sterującymi rozkładem pola elektrycznego

Dla wyrównania rozkładu napięcia w kierunku poosiowym (wzdłuż powierzchni) i promieniowym,

rozmieszczenie ekranów powinno być takie, aby spełnione zostały następujące warunki:

a) jednakowe pojemności warstw dielektryka między ekranami

C

1

= C

2

= C

3

= .....

Spełnienie tego warunku daje jednakowe napięcia na oddzielonych ekranami warstwach dielektry-
ka dzieląc przyłożone napięcie U na równe części

U

1

= U

2

= U

3

= ...... = U/n

,

gdzie: n - liczba warstw dielektrycznych utworzonych przez ekrany,

b) jednakowe odległości między ekranami (jednakowe grubości warstw)

a

1

= a

2

= a

3

=.... = a/n

,

co w połączeniu z warunkiem (a) pozwala otrzymać równomierny rozkład napięcia w kierunku
promieniowym

.

const

E

....

a

U

a

U

a

U

śr

s

3

3

2

2

1

1

=

=

=

=

=

,

c) jednakowe stopniowanie długości ekranów

∆

l

1

=

∆

l

2

=

∆

l

3

= ......

Przy jednakowych odległościach między krawędziami ekranów i przy spełnieniu warunku (a) można

znacznie poprawić poosiowy rozkład naprężeń

.

const

E

.....

l

U

l

U

l

U

śr

p

3

3

2

2

1

1

=

=

=

=

=

∆

∆

∆

,

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

9

Spełnienie wszystkich trzech warunków nie jest możliwe. Kładąc nacisk na poprawę rozkładu napię-

cia wzdłuż powierzchni (kierunek poosiowy) należy uwzględnić warunki (a) i (c).

Jeżeli w wyniku zastosowania ekranów dielektryk został promieniowo podzielony na „n” warstw

(liczba ekranów n – 1) to, przy zachowaniu warunku (a) napięcie na jednej warstwie będzie wynosić

n

U

'

U

=

,

(4.4)

gdzie U - napięcie przyłożone do układu

.

Pojemność jednostkowa jednej warstwy będzie n-razy większa od pojemności jednostkowej całego

układu

j

j

nC

'

C

=

.

(4.5)

Napięcie początkowe iskier ślizgowych dla zewnętrznej warstwy (elektroda zewnętrzna-ekran), zgod-

nie z wzorem Toeplera będzie wynosić

4

44

,

0

j

śl

0

10

)

'

C

(

355

,

1

'

U

−

⋅

=

.

(4.6)

Jeżeli napięcie na tej warstwie osiągnie wartość napięcia początkowego iskier ślizgowych, to całe napię-

cie przyłożone do układu będzie również napięciem początkowym iskier ślizgowych. Biorąc po uwagę za-
leżności (4.4) i (4.5) można napisać

4

44

,

0

j

śl

0

10

)

nC

(

355

,

1

n

U

−

⋅

=

.

Zatem napięcie początkowe iskier ślizgowych w układzie z ekranami sterującymi rozkładem pola

elektrycznego będzie wynosić

4

44

,

0

j

56

,

0

śl

0

10

C

355

,

1

n

U

−

⋅

⋅

=

.

Ostatni wzór pokazuje, że napięcie początkowe iskier ślizgowych dla układu z ekranami jest n

0,56

razy

wyższe niż dla układu bez ekranów.

5. Pytania kontrolne

1. W jakich warunkach mogą rozwijać się wyładowania ślizgowe?
2. Omówić schemat zastępczy układu dla wyładowań ślizgowych
3. Omówić mechanizm wyładowań podtrzymywanych
4. Wzór Toeplera i jego interpretacja
5. Czy wyładowania ślizgowe mogą rozwijać się przy napięciu stałym?
6. Omówić mechanizm powstawania dodatnich i ujemnych figur Lichtenberga
7. Omówić metody podwyższania napięcia początkowego iskier ślizgowych

Literatura

1.

Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 2009

2.

Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996

3.

Układy izolacyjne urządzeń elektroenergetycznych

. Praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1978.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

10

II. POMIARY

1. Badanie wytrzymało

ści układu izolacyjnego bez wyładowań ślizgowych (uwarstwienie

równoległe dielektryka stałego i powietrza)

1.1.

Schemat układu

Ro

Ve

rura
izolacyjna

elektrody

Tp

Tr

V

DN

A

Rys. 13. Układ do badania wytrzymałości układu izolacyjnego: Tr - transformator regulacyjny, Tp -
transformator probierczy, R

0

- rezystor ograniczający, DN - dzielnik napięcia, Ve - woltomierz elek-

trostatyczny

1.2. Przebieg pomiarów

Badanie wytrzymałości układu izolacyjnego, składającego się z rury ceramicznej oraz elektrod pier-

ś

cieniowych, polega na doprowadzeniu do elektrod napięcia i zwiększaniu go do chwili przeskoku. Mia-

rą wytrzymałości takiego układu izolacyjnego jest napięcie przeskoku.

W ćwiczeniu badamy wytrzymałość układu w zależności od odstępu między elektrodami pierścienio-

wymi. Odstępy między elektrodami ustawiamy przesuwając wzdłuż rury ceramicznej górną elektrodę
pierścieniową. Badania zaczynamy od najmniejszej odległości równej 4 cm, zwiększając odstępy o 2 cm.

Przy przeprowadzaniu pomiarów w polu probierczym wysokiego napięcia przemiennego należy postępować

zgodnie z instrukcją obsługi stanowiska i przepisami BHP.

Kolejność czynności:

a)

ustawiamy zadany odstęp między elektrodami (zgodnie z tabelą),

b)

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy napięcie przyłożone do elektrod (z
prędkością ok. 1 kV/s) aż do wystąpienia przeskoku,

d)

notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie przeskoku uwzględniając
przekładnię dzielnika,

e)

dla danej odległości między elektrodami pomiaru dokonujemy trzykrotnie.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla kolejnych odstępów między elektrodami. Wyniki po-

miarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 1.

Tabela 1. Wytrzymałość układu izolacyjnego uwarstwionego równolegle

Lp.

Odstęp

U

V

U

Vśr

U

p

cm

kV

kV

kV

1
2
3

4

gdzie: U

V

- napięcie odczytane z woltomierza elektrostatycznego w momencie przeskoku, U

Vśr

– średnia z

trzech pomiarów, U

p

=

ϑ

⋅

U

Vśr

- wartość napięcia przeskoku po uwzględnieniu przekładni dzielnika.

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

11

2. Badanie wytrzymało

ści układu izolacyjnego z wyładowaniami ślizgowymi

(uwarstwienie uko

śne dielektryka stałego i powietrza)

2.1.

Schemat układu

rura
izolacyjna

Tr

DN

Tp

V

Ro

Ve

elektrody

rura metalowa

A

Rys. 14. Układ do badania wytrzymałości układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie: Tr - trans-
formator regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R

0

- rezystor ograniczający, DN - dzielnik napię-

cia, Ve - woltomierz elektrostatyczny

2.2. Przebieg pomiarów

Układ o uwarstwieniu ukośnym otrzymujemy przez włożenie do wnętrza rury ceramicznej dodatko-

wej elektrody, w postaci metalowej rury, połączonej galwanicznie z dolną elektrodą pierścieniową. Ba-
danie układu z występującymi wyładowaniami ślizgowymi należy przeprowadzić w pomieszczeniu za-
ciemnionym. Podczas podnoszenia napięcia należy obserwować wyładowania pojawiające się na po-
wierzchni izolacyjnej rury w pobliżu górnej elektrody. Pojawienie się pierwszych jasnych i ruch-liwych iskier
rozwijających się z głośnym trzaskiem na tle niebiesko świecących wyładowań oznacza osiągnięcie przez
układ napięcia początkowego iskier ślizgowych.

Kolejność czynności:

a)

ustawiamy zadany odstęp między elektrodami (zgodnie z tabelą),

b)

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do
elektrod (z prędkością ok. 1 kV/s) obserwując zachowanie się układu izolacyjnego,

d)

notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie pojawienia się iskier ślizgo-
wych oraz w momencie przeskoku uwzględniając przekładnię dzielnika,

e)

dla danej odległości między elektrodami pomiaru dokonujemy trzykrotnie

.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla kolejnych odstępów między elektrodami. Wyniki po-

miarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń dla układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie

Lp

Odstęp

U

Vśl

U

Vp

U

vśl.śr

U

Vpśr

U

0śl

U

pśl

cm

kV

kV

kV

kV

kV

kV

1
2
3

4

gdzie: U

Vśl

- napięcie początkowe iskier ślizgowych odczytane z woltomierza,

U

Vp

- napięcie wskazywane przez woltomierz w momencie przeskoku,

U

vśl.śr

- średnia z trzech pomiarów napięcia początkowego iskier ślizgowych,

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

12

U

Vpśr

- średnia z trzech pomiarów napięcia przeskoku,

U

0śl

=

ϑ

⋅

U

vśl.śr

- napięcie początkowe iskier ślizgowych,

U

pśl

=

ϑ

⋅

U

Vpśr

- wartość napięcia przeskoku po uwzględnieniu przekładni dzielnika

.

3. Badanie wyładowa

ń ślizgowych w układzie izolacyjnym z płaskim dielektrykiem

3.1.

Schemat układu

V

Tr

Tp

DN

Ro

Ve

dielektryk

elektrody

A

Rys. 15. Układ do badania wytrzymałości układu izolacyjnego uwarstwionego ukośnie: Tr - trans-
formator regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R

0

- rezystor ograniczający, DN - dzielnik napię-

cia, Ve - woltomierz elektrostatyczny

3.2. Przebieg pomiarów

Celem tych pomiarów jest wykazanie zależności napięcia początkowego iskier ślizgowych i napięcia

przeskoku od pojemności jednostkowej układu izolacyjnego. Realizujemy to w ten sposób, że dokonuje-
my pomiarów napięcia początkowego iskier ślizgowych i napięcia przeskoku w układzie płaskim uży-
wając jako dielektryka płyt izolacyjnych o różnych grubościach. Badania przeprowadzamy w pomieszcze-
niu zaciemnionym. Podczas podnoszenia napięcia należy obserwować wyładowania pojawiające się na po-
wierzchni dielektryka w pobliżu mniejszej elektrody.

Kolejność czynności:

a)

montujemy układ pręt–dielektryk–płyta,

b)

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do
elektrod (z prędkością ok. 1 kV/s) obserwując zachowanie się układu izolacyjnego,

d)

notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie pojawienia się iskier ślizgo-
wych oraz w momencie przeskoku uwzględniając przekładnię dzielnika,

e)

dla danej grubości dielektryka pomiaru dokonujemy trzykrotnie.

Postępując jak wyżej wykonujemy pomiary dla innych grubości płyty izolacyjnej. Pojemność

jednostkową obliczamy z wzoru

g

'

=

C

0

j

ε

ε

,

gdzie:

ε

'

- przenikalność dielektryczna względna dielektryka,

ε

0

- przenikalność próżni (

ε

0

= 10/36

π

[pF/cm]), g - grubość płyty.

Wyniki pomiarów i obliczeń wstawiamy do tabeli 3.

Ć

wiczenie 4. Badanie wyładowań ślizgowych

13

Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń dla układu izolacyjnego z płaskim dielektrykiem.

Oznaczenia jak w tabeli 2

Lp.

Grubość

C

j

U

Vśl

U

Vp

U

0śl

= U

vśl.śr

⋅

ϑ

U

pśl

= U

vpśr

⋅

ϑ

cm

pF/cm

2

kV

kV

kV

kV

1
2
3
4
5
6

4. Opracowanie wyników pomiarów

a)

Wykreślić na wspólnym wykresie zależność napięć U

p

, U

0śl

i U

pśl

od odległości a między elektro-

dami dla układu uwarstwionego równolegle i ukośnie.

b)

Wykreślić zależności U

0śl

= f

(C

j

) oraz U

pśl

= f

(C

j

) dla układu ślizgowego z płaskim dielektrykiem

c)

Wnioski.