POLITECHNIKA CZ
STOCHOWSKA
Wytrzymałość dielektryczna
Laboratorium Techniki powietrza w układzie
Wysokich Napięć ostrze - płyta
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest uwidocznienie wpływu ładunku przestrzennego na napięcie
wyładowań początkowych U0 i napięcie przeskoku Up w układzie elektrod ostrze - płyta
w zależności od biegunowości elektrod.
2. Wiadomości podstawowe.
Wytrzymałość powietrza w sposób istotny zależy od biegunowości elektrod. Wpływ
biegunowości występuje tym wyraz
niej, im układ jest bardziej niesymetryczny
geometrycznie. Najsilniej wpływ ten uwidacznia się w układzie ostrze - płyta, w którym
współczynnik niejednorodności pola jest bardzo duży.
Natężenie pola elektrycznego przy ostrzu ma wartość znacznie większą niż w
pozostałej części przestrzeni międzyelektrodowej, niezależnie od biegunowości
napięcia przyłożonego do elektrod. Przy podwyższaniu napięcia, z chwilą osiągnięcia
natężenia pola warunkującego zainicjowanie jonizacji zderzeniowej elektronowej, w
pobliżu elektrody ostrzowej formuje się - niezależnie od biegunowości - ładunek
przestrzenny dodatni. Przy ostrzu o dodatniej biegunowości, elektrony ze względu na
znacznie większą ruchliwość w stosunku do jonów dodatnich, są szybko
wychwytywane przez elektrodÄ™ ostrzowÄ…. Natomiast przy ostrzu o ujemnej
biegunowości elektrony szybko opuszczają przestrzeń przyelektrodową
podążając w kierunku płyty o biegunowości dodatniej. Obecność dodatniego ładunku
przestrzennego w pobliżu elektrody ostrzowej w sposób zdecydowanie różny
kształtuje rozkład pola wypadkowego przy różnej biegunowości elektrod (pole
wytworzone przez ładunek przestrzenny nakłada się na pole elektrostatyczne
pochodzące od ładunków na elektrodach).
Na Rys. 1 i 2 przedstawiony jest wpływ ładunku przestrzennego wyładowań wstępnych
w układzie ostrze - płyta na rozkład natężenia pola- w pobliżu ostrza.
3. Układ pomiarowy.
WG - wyłącznik główny
LK - lampka sygnalizacyjna
AT  autotransformator regulacyjny
V  woltomierz
WN - wyłącznik wysokiego napięcia
A  amperomierz
TWN - transformator wysokiego napięcia
P - prostownik wysokonapięciowy
C - kondensator wysokonapięciowy
Ve - woltomierz elektrostatyczny
µA  mikroamperornierz
R - rezystor ograniczajÄ…cy
E - badany układ elektrod
4. Program ćwiczenia.
4.1. Wyznaczyć zależność napięcia początkowego U0 i napięcia przeskoku Up w funkcji
odległości międzyelektrodowej, a przy ostrzu dodatnim w układzie ostrze - płyta.
4.2. Jak w p.4.1. lecz przy ostrzu ujemnym.
Rys.1. Wpływ ładunku przestrzennego Rys.2. Jak na rys. 1 lecz przy
przy ujemnym ostrzu.
występowaniu wyładowań
wstępnych
w układzie ostrze  płyta przy
ostrzu
dodatnim na rozkład natężenia
pola
w pobliżu ostrza.
E - natężenie pola elektrostatycznego przed powstaniem ładunku przestrzennego
lawiny wyładowania wstępnego,
Eq - natężenie pola wytworzonego przez powstały ładunek przestrzenny,
E - wypadkowe natężenie pola.
Gdy ostrze jest dodatnie, dodatni ładunek przestrzenny zmniejsza natężenie pola w
pobliżu ostrza - zahamowany więc zostaje rozwój wyładowań niezupełnych. Przy
ujemnej biegunowości ostrza sytuacja kształtuje się odwwrotnie. A
adunek
przestrzenny dodatni wzmacnia natężenie pola przy ostrzu. Dlatego napięcie
początkowe U0, przy którym zjawia się widoczne wyładowanie świecące, jest przy
ostrzu dodatnim wyższe niż przy ostrzu ujemnym ( U0+ > U0- ).
Przy podwyższaniu napięcia ponad napięcie początkowe U0 , dodatni ładunek
przestrzenny, powstający w pobliżu ostrza, wzmacnia natomiast natężenie pola w
kierunku drugiej elektrody, a więc w kierunku rozwoju wyładowania. Rozwój
wyładowania kanałowego jest ułatwiony i może się ono rozwijać przy niższym
napięciu niż wtedy gdy nie ma ładunku przestrzennego. Przeciwnie w przypadku
ujemnej biegunowości ostrza, kiedy dodatni ładunek przestrzenny osłabia natężenie
pola w kierunku dodatniej płyty. W tym przypadku rozwój wyładowania kanałowego
jest. utrudniony.
Konsekwencją powstającego w układzie ostrze - płyta ładunku przestrzennego jest
wyższe napięcie przeskoku pomiędzy elektrodami ( wyładowania zupełnego) przy
ostrzu ujemnym niż przy ostrzu dodatnim (Up- > Up+ )
O ile jednak w wypadku napięć wyładowań początkowych U0 różnice te są
stosunkowo niewielkie, uwarunkowane jedynie ułatwieniem osiągnięcia stanu
samodzielności wyładowań, o tyle w wypadku napięć przebicia Up różnice te są
znaczne. Napięcie przebicia. przy ostrzu ujemnym jest od 2 od 3 razy większe niż
przy ostrzu dodatnim (Rys.3.) Prawidłowość ta odgrywa istotną rolę w
projektowaniu izolacji powietrznej pracującej przy napięciu stałym.
Rys. 3. Wpływ biegunowości elektrod na zależność napięcia przebicia powietrza
Up od odległości a w układzie ostrze-płyta.
5. Opracowanie wyników pomiarów.
5.1. Wszystkie wartości napięć U0 i Up należy przeliczyć na wartości przy
normalnych warunkach atmosferycznych :
Un=(U/´)kw
Un - napięcie w warunkach normalnych (p = 1013 hPa, T = 293 K)
U - napięcie w warunkach rzeczywistych
´ = 0,289
p/T
p - ciśnienie atmosferyczne ( hPa)
T - temperatura powietrza ( K )
Współczynnik kw należy wyznaczyć w sposób następujący:
- zmierzyć przy pomocy psychrometru wilgotność względną,
-dla temperatury otoczenia znalez
ć wilgotność względna w stanie otoczenia (wn)
tabela 1
Tabela 1. Wilgotność bezwzględna w stanie otoczenia dla danej temperatury
otoczenia.
Temperatura (K) wn (kg/m3) Temperatura (K) wn (kg/m3)
284 0,0100 294 0,0189
285 0,0107 295 0,0194
286 0,0114 296 0,0206
287 0,0121 297 0,0218
288 0,0128 298 0,0230
289 0,0136 299 0,0244
290 0,0145 300 0,0258
291 0,0154 301 0,0272
292 0,0163 302 0,0287
293 0,0173 303 0,0302
- wyznaczyć wilgotność względna w = $ (kg/m3)
- dla danej wilgotności bezwzględnej (w) wyznaczyć współczynnik kw - patrz tabela 2.
Tabela 2. Zależność współczynnika kw od wilgotności bezwzględnej:
w (kg/m3) kw w (kg/m3) kw
0,0 1,15 0,0150 0,98
0,0025 1,10 0,0175 0,93
0,0050 1,07 0,0200 0,91
0,0075 1,03 0,0225 0,89
0,0100 1,00 0,0250 0,88
0,0125 0,98
5.2. Wykreślić charakterystyki :
Uon = f(a) dla obu biegunowości ostrza
Upn =f(a)
6. Literatura.
1. M.A. Babikow i inni  Technika wysokich napięć
2. S. Szpor, H. Dzierżek, W. Winiarski  Wysokonapięciowe układy izolacyjne skrypt
Politechniki Wrocławskiej.