U
niwersytet
T
echnologiczno-
P
rzyrodniczy
w Bydgoszczy
W
ydział
T
elekomunikacji i
E
lektrotechniki
Z
akład
E
lektroenergetyki
Laboratorium Materiałów Elektrotechnicznych
Instrukcja do ćwiczenia
Badanie wytrzymałości elektrycznej papieru
Opracował mgr inŜ. Sebastian Zakrzewski
Bydgoszcz, 2006 r.
2
1. Wprowadzenie
Napięcie przebicia U
p
jest to najmniejsza wartość skuteczna napięcia
przyłoŜonego do próbki przy której następuje jej przebicie. Wytrzymałość
dielektryczna materiału E
p
jest to iloraz uzyskanego napięcia przebicia U
p
i grubości d [4].
d
U
E
p
p
=
(1)
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 odróŜnieniu 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.
MoŜna rozróŜnić 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 niepoŜądany materiał (np.
powietrze) o małej przenikalności.
JeŜeli napięcie przyłoŜone do układu elektrod jest dostatecznie duŜe
to w powietrzu między elektrodą i materiałem izolacyjnym stałym powstaje
wyładowanie samodzielne. Wyładowania te mogą być uwaŜane za
niezupełne dopóki materiał izolacyjny stały wytrzymuje pełne napięcie.
3
Jednak elektrony pochodzące z wyładowań samodzielnych w powietrzu
mogą przenikać do materiału izolacyjnego stałego i przyśpieszać
elektryczny mechanizm przebicia. MoŜe takŜe występować nagrzewanie
materiału stałego przez wyładowanie niezupełne i wynikający z tego udział
tych wyładowań w cieplnym mechanizmie przebicia. Szkodliwe
oddziaływanie chemiczne produktów wyładowań moŜe teŜ przyśpieszyć
mechanizm starzenia.
JeŜeli dwa (lub więcej) materiały izolacyjne pracują w taki sposób,
Ŝ
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 przenikalności elektrycznej
ε
a
i
ε
b
,
K
a
, K
b
- natęŜenie pola elektrycznego w dielektrykach a i b.
NatęŜenie pola elektrycznego K
a
i K
b
z obu stron kaŜdej
powierzchni granicznej jest odwrotnie proporcjonalne do przenikalności
elektrycznej
ε
a
i
ε
b
uŜytych materiałów:
a
b
b
a
K
K
ε
ε
=
(2)
Z zaleŜności (2) wynika, iŜ materiał o mniejszej wartości
przenikalności dielektrycznej jest silniej napręŜony.
Odpowiednią grubość izolacji często uzyskuje się przez nałoŜenie
wielu warstw bibułki, ceratki, miki lub innych materiałów, które następnie
nasyca się syciwem, olejeni lub lakierem izolacyjnym. W przypadku, gdy
np. izolacja papierowo-olejowa jest niedostatecznie nasycona olejem, to
4
natęŜenie pola elektrycznego K
1
w szczelinie powietrznej jest
ε
2r
razy
większe od natęŜenia pola elektrycznego K
2
w dielektryku stałym:
2
2
1
K
K
r
⋅
=
ε
(3)
gdzie:
ε
2r
-
przenikalność elektryczna względna materiału izolacyjnego
stałego.
Przy często spotykanych wartościach 3 ≤
ε
2r
≤ 8 łatwo powstają
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 regulujący,
V
- woltomierz,
Rl
- rezystor ograniczający,
R2
- rezystor bocznikujący,
S2
- przekaźnik nadprądowy zabezpieczenia prądowo zwarciowego,
PC
- przełącznik czułości zabezpieczenia,
S1
- stycznik główny,
Sb
- łącznik krańcowy,
Pl, P2 - przyciski załączania i wyłączania układu,
Z
- uziemiacz.
5
2.2. Przygotowanie próbek
Próbki powinny być złoŜone z m prostokątnych arkuszy (warstw)
papieru o krótszym boku g > 10 cm. Składanie naleŜy wykonać w stanie
zanurzenia tych arkuszy w oleju.
Do badania papieru nie zanurzonego w oleju naleŜy wykorzystać
elektrodę Al (górną) umytą w rozpuszczalniku i dokładnie wysuszoną,
natomiast na elektrodzie A2 naleŜy połoŜyć dodatkową płytkę naleŜącą do
wyposaŜenia stanowiska.
Za grubość d
a
badanego papieru naleŜy 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 U
pm
.
W ten
sposób przebadać pięć próbek złoŜonych z tej samej liczby m arkuszy.
Odczytane z woltomierza V napięcia U
v
(odpowiadające napięciom U
pm
1,
U
pm
2 .....
U
pm
5
)
wpisać w kolumnę 7 tabeli. Pomiary wykonać dla próbek izolacji
złoŜonych z 1,2 . . . m . . . n arkuszy papieru. Za n naleŜy 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 moŜe okazać się większa od
wytrzymałości powierzchniowej. W takim przypadku kanał wyładowania
zupełnego rozwija się po powierzchni próbki.
Podczas badania próbek nie zanurzonych w oleju naleŜy za n przyjąć taką
samą liczbę jak dla próbki w oleju. Wartość napięcia probierczego naleŜy
podnosić w sposób ciągły od zera do napięcia przebicia, które powinno
być osiągnięte w czasie 10 do 20 sekund od chwili rozpoczęcia pomiaru.
6
2.4. Sposób obsługi układu pomiarowego
Po umieszczeniu badanej próbki P między elektrodami Al i A2 naleŜy
zamknąć pokrywę KO (co spowoduje zwarcie się styku blokującego Sb),
załączyć wyłącznik W i załączyć stycznik St przez naciśnięcie
przycisku P1. Napięcie probiercze naleŜy zmieniać obracając
pokrętło autotransformatora T2 w sposób podany w p 2.3.
Napięcie U
pm
oblicza się z zaleŜności:
U
p m
=
300
⋅
U
V
(4)
gdzie: U
V
jest wskazaniem woltomierza V odczytanym bezpośrednio
przed wystąpieniem przebicia próbki P.
Przed przystąpieniem do wymiany badanej próbki P między
elektrodami Al i A2, naleŜy bezwzględnie wykonać następujące czynności
przestrzegając niŜej 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
kaŜdej z nich uziemiaczem Z trzymanym za izolowany uchwyt.
2.5. Tabela pomiarów i obliczeń
Badany materiał
L.p.
rodzaj
grubość
Liczba
warstw
m
Grubość
próbki
d
m
Próba: w
oleju (+)
bez oleju (-)
U
V
U
pm
pm
U
pm
E
-
-
mm
-
mm
V
kV
kV
kV
mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
2.6. Opracowanie wyników pomiarów
2.6.1. Na podstawie wyników odnotowanych w kolumnie 7 tabeli
i zaleŜności (4) naleŜy obliczyć wartość napięcia przebicia U
pm
po czym
wyznaczyć wartość średnią arytmetyczną U
pm
tego napięcia dla próbek
izolacji o jednakowej liczbie m arkuszy papieru, czyli wyznaczyć:
5
5
1
∑
=
=
k
pm
pm
U
U
(5)
Uzyskane wyniki wpisać w kolumnie 9 tabeli.
2.6.2. Przyjmując upraszczające załoŜenie, Ŝe grubość próbki złoŜonej z
m
arkuszy wynosi:
d
m
=
1.3
⋅
d
a
⋅
m
(6)
gdzie: d
a
- grubość pojedynczego arkusza w mm.
Obliczyć wytrzymałość dielektryczną:
m
pm
pm
d
U
E
=
(7)
próbek złoŜonych z 1
≤
m
≤
n
arkuszy:
a) zanurzonych w oleju,
b) suchych.
Wyniki obliczeń wpisać w kolumnie 10 tabeli.
2.6.3. Wykreślić zaleŜności
)
(m
f
E
pm
=
oraz
)
(m
f
U
pm
=
dla próbek
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 E
po
= 7 kV
sk
mm
-1
.
8
Na podstawie porównań poszczególnych przebiegów zaleŜności
napięcia od grubości zastosowanej izolacji naleŜy 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). NaleŜy równieŜ podać
uwagi, spostrzeŜenia i wnioski związane 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.
Słowniczek angielsko-polski:
dielectric
- dielektryk
breakdown voltage
- napięcie przebicia
insulating material
- materiał izolacyjny
discharge
- wyładowanie
electric field intensity
- natęŜenie pola elektrycznego
meter circuit
- układ pomiarowy
electrode
- elektroda
transformer oil
- olej trancformatorowy