WYTRZYMAŁOŚĆ POWIETRZA PRZY NAPIĘCIU

PRZEMIENNYM 50 Hz

W POLU RÓWNOMIERNYM

I SŁABO NIERÓWNOMIERNYM

1. Omówienie tematu

Powietrze jest najczęściej wykorzystywanym dielektrykiem gazowym. Przy ciśnieniu atmosferycznym i odstępie elektrod rzędu 1 cm jego wytrzymałość elektryczna wynosi około 30 kV/cm. Wytrzymałość ta jest jednak osiągalna tylko w eksperymentach umożliwiających zachowanie równomiernego rozkładu pola elektrycznego. Określona w takich warunkach wytrzymałość powietrza jest wyłącznie jego cechą materiałową. Niekiedy określa się ją mianem wytrzymałości elektrycznej istotnej.

Rozkład natężenia pola jest zdeterminowany przede wszystkim przez kształt elektrod. Równomierny rozkład można uzyskać w układzie dwóch płaskich elektrod, pod warunkiem wyeliminowania zniekształceń krawędziowych Okazuje się jednak, że nawet wówczas pewien wpływ na wytrzymałość elektryczną wywiera odstęp elektrod. Przypisuje się to zmianom - w miarę wzrostu odstępu elektrod - warunków rozwoju wyładowania.

Konsekwencją tego jest fakt, że wytrzymałość powietrza ulega obniżeniu w miarę wzrostu odstępu elektrod. Zadaniem ćwiczących jest zbadanie eksperymentalne tego zjawiska.

Wytrzymałość elektryczna powietrza porównywalna z układem płaskim występuje również w niektórych innych układach elektrod, jednak przy zachowaniu pewnych proporcji wymiarowych. Takie układy zalicza się do kategorii układów o polu słabo nierównomiernych. Należy do nich między innymi układ walców koncentrycznych przy zachowaniu pewnych proporcji stosunku R/r.

2. Zadania

Wyznaczyć eksperymentalnie zależność napięcia przebicia od odstępu płaskich elektrod w zakresie do 0,9 U_n transformatora probierczego. Dla każdego z odstępów wykonać po 3 pomiary napięć przebicia U_p. Dla odstępu elektrod 1 cm wykonać 20 pomiarów napięć przebicia. Napięcie przebicia mierzyć przy pomocy woltomierza po stronie pierwotnej transformatora probierczego, a następnie przeliczyć na stronę wysoką korzystając z przekładni rzeczywistej transformator h = 470.

Wyznaczyć zależność napięcia ulotu U₀ i napięcia przebicia U_p w układzie walców koncentrycznych w zależności od promienia walca wewnętrznego r, przy R = 34,5 mm. Napięcie ulotu oszacować na podstawie efektów akustycznych.

3. Układ pomiarowy

Pomiary wykonać w typowym układzie probierczym z transformatorem TP 110 [1] Rys. 1.15

4. Podstawowe pojęcia, zależności i parametry

Współczynnik nierównomierności pola elektrycznego

gdzie a - odstęp między elektrodami

Natężenia pola elektrycznego w układzie walców koncentrycznych

gdzie R - promień walca zewnętrznego, r - wewnętrznego

\

Wzory eksperymentalne na napięcie przebicia powietrza w polu równomiernym

wg Ritza

wg Hohera

wg Bruce'a

gdzie: U_p - napięcie przebicia w [kV] (wartość szczytowa) dla warunków normalnych,

a - odstęp elektrod w [cm]

Fragment normy PN-92/E-04060 pkt. A.3.3. Obróbka wyników prób klasy 3

Wynikiem uzyskanym z próby klasy 3 jest zazwyczaj seria n napięć U_i, z których należy określić parametry U₅₀ i z funkcji rozkładu statystycznego. Dla rozkładu normalnego (Gaussa) wartości szacunkowe tych parametrów wyrażone są przez:

Granice ufności dla rozkładu normalnego można określić stosując rozkład Studenta t lub C² zgodnie z literaturą techniczną. Np. w przypadku rozkładu Gaussa granice ufności na poziomie 95 % dla wartości szacunkowych U₅₀ i z otrzymanych z próby n = 20 wynoszą:

gdzie: są szacunkowymi wartościami U₅₀ i z otrzymanymi z przyjętej funkcji rozkładu statystycznego p (U).

5. Sprawozdania

Sprawozdanie należy opracować jako wspólne dla ćwiczeń IV i V. Sprawozdanie winno zawierać:

• wykresy U_p = f(a) i E = f(a) dla układu płaskiego,

• wyznaczyć dla 20 pomiarów napięć przebicia, parametry rozkładu normalnego U₅₀ i z,

• wykres teoretyczny U_p = f(a) wyznaczony ze wzorów eksperymentalnych wg jednego z podanych wyżej autorów,

• wykresy U₀, U_p = f(r) ,E = f(r) oraz b = f(r) dla układu walców koncentrycznych uzyskane z pomiarów i obliczeń.

6. Pytania kontrolne (Wykład z TWN i [2])

Pobudzenie i jonizacja cząstek gazu w polu elektrycznym.

Rodzaje jonizacji w gazach.

Dyfuzja i rekombinacja; wpływ na procesy jonizacyjne.

Mechanizm Townsenda przebicia gazów.

Współczynnik jonizacji zderzeniowej elektronowej.

Warunek samodzielności wyładowania.

Prawo Paschena.

Zjawiska ograniczające intensywność jonizacji w gazach.

7. Literatura

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

Z. Flisowski, "Technika Wysokich Napięć" PWN Warszawa 1988/92/95.

1

---