Studia dzienne - semestr III

Laboratorium Inżynierii Materiałów Elektrotechnicznych

Ćwiczenie nr 4

Temat: Badanie układu izolacyjnego o elektrodach kulowych, ostrzowych i płaskich.

1. Zakres badań:

o Wyznaczenie napięcia przeskoku dla elektrod kulowych (układ symetryczny, oraz układ zjedna

elektrodą uziemioną) przy zmiennym odstępie elektrod o Wyznaczenie napięcia przeskoku dla elektrod ostrzowych lub prętowych (układ symetryczny, oraz z

jedną elektrodą uziemioną) przy zmiennym odstępie elektrod o Porównanie wytrzymałości elektrycznej (opracowanie charakterystyk wytrzymałości)

2. Wstęp do ćwiczeń.

Wartość szczytową wysokiego napięcia można mierzyć w sposób bezpośredni metodą iskiernikową. wykorzystując znaną dla danego iskiemika zależność napięcia przebicia powietrza od odstępu elektrod. Iskiemik stosowany do pomiarów powinien spełniać wiele wymagań, z których najważniejsze to:

o małe rozrzuty napięć przebicia,

o niezależność napięcia przebicia od rodzaju przyłożonego napięcia (przemienne, stałe, udarowe), co oznacza, że współczynnik udaru powinien być równy jedności,

o zbliżona do prostoliniowej zależność napięcia przebicia od odstępu elektrod. Wymagania te mogą być spełnione tylko w polu równomiernym lub bardzo zbliżonym do równomiernego. Pole równomierne zapewniają elektrody płaskie z odpowiednio wyprofilowanymi krawędziami eliminującymi efekt krawędziowy. Jednak ze względu na trudności związane z wykonaniem (konieczność zapewnienia równoległości elektrod i precyzyjnego profilowania krawędzi elektrod) oraz ze względu na duże wymiary, iskiemik płaski nie nalazł zastosowania w miernictwie wysokonapięciowym.

Ze względów praktycznych do pomiaru wartości szczytowej napięcia stosowane są powszechnie iskiemiki kulowe (układ dwóch kul ekscentrycznych). Odznaczają się one prostotą budowy i umożliwiają wykonanie znormalizowanych pomiarów wysokich napięć przemiennych o częstotliwości sieciowej, stałych, udarowych i udarowych piorunowych.

Rozkład pola elektrycznego między kulami iskiemika zależy od stosunku odstępu kul a do ich średnicy D. Im mniejszy jest stosunek alD. tym bardziej pole jest równomierne i tym lepiej iskiemik spełnia wymienione poprzednio podstawowe wymagania. Należy również zaznaczyć, że ze wzrostem stopnia równomierności pola maleje oddziaływanie przedmiotów obcych (uziemionych lub znajdujących się pod napięciem) na napięcia przebicia iskiemika kulowego. Pomiary iskiemikiem kulowym są zatem wykonywane w ograniczonym zakresie wartości alD.

Zależności napięcia przebicia powietrza od odstępu kul iskiemików dla różnych średnic elektrod od 2 do 200 cm (2,5: 5; 6,25: 10: 12,5; 25: 50: 75; 100; 150 i 200 cm) s~ znormalizowane; przedstawia sieje w postaci tablic lub wykresów. Zakres pomiarów obejmuje odstępy elektrod a ■ (0.05-0.75)D. Dolne ograniczenie jest spowodowane rym. że gdy a < 0.05D. wynik pomiaru napięcia jest zbyt uzależniony od dokładności pomiaru odstępu kul i stanu ich powierzchni. Utrudniona jest także dejonizacja przestrzeni międzyelektrodowej podczas przeskoków. Górny zakres wynika z konieczności ograniczenia nierównomierności pola i uniknięcia wpływu na wynik pomiaru obcych pól i sąsiadujących przedmiotów.

Na napięcie przeskoku iskiemika kulowego wpływają następujące czynniki: średnica kul i odległość między nimi. ciśnienie atmosferyczne, temperatura otoczenia, wilgotność powietrza, przedmioty sąsiadujące oraz pył i kurz w otaczającym powietrzu.

Natężenie pola. którego wartość zależy od ładunku, jest większe na powierzchni kuli nie uziemionej układu niesymetrycznego niż na powierzchni kul układu symetrycznego. Jak wiadomo, napięcie początkowe wyładowań Uo w układzie niesymetrycznym jest niższe, gdy natężenie pola na elektrodzie o biegunowości ujemnej jest wyższe niż na elektrodzie dodatniej. W słabo nierównomiernym polu Uo = Up. Napięcie przebicia w układzie niesymetrycznym iskiemika jest zatem niższe, gdy biegunowość napięcia jest ujemna.

W zależności od budowy elektrod, wartości napięcia oraz odległości miedzy nimi, można zaobserwować różne formy wyładowań. W układzie o polu silnie niejednostajnym, jakim jest układ ostrzowy można zaobserwować wyładowania wstępne, objawiające się świeceniem, wyładowaniami wstępnymi bądź ulotem. Dalsze podnoszenie napięcia spowoduje, że z jednej elektrody do drugiej zaczyna rozwijać się snop iskier, które w miarę podnoszenia napięcia ulegają wydłużeniu, lecz jeszcze nie dosięgają drugiej elektrody, wyładowania te nazywamy stopieniem (wyładowania niezupełne). Dalsze podnoszenie napięcia spowoduje przeskok, któremu towarzyszy suchy trzask (wyładowanie zupełne).

Natomiast w układach o polu jednostajnym, np. w płaskich, nie ma warunków do powstania wyładowań niezupełnych, gdyż w całej przestrzeni między elektrodami występuje takie samo natężenia pola elektrycznego. W takich układach wyładowaniu zupełne występuje przy wyższym napięciu i nie jest poprzedzone wyładowaniami wstępnymi.

3. Układ pomiarowy.

Pomiarowy iskiernik kulowy o poziomym usytuowaniu kul. Pomiarowy iskiernik kulowy o poziomym usytuowaniu kul 1- izolator. 2 - trzon kuli. 3 - największe dopuszczalne wymiary obsady trzonu. 4-opornik tłumiący. A -odległość

4. Przebieg ćwiczenia.

Pomiar wysokiego napięcia przemiennego lub stałego iskiernikiem kulowym polega na wyznaczeniu granicznego odstępu kul. dla którego następuje przebicie. W tym celu, ustaliwszy najpierw wartość napięcia, zbliża się powoli elektrody aż do momentu, gdy wystąpi przeskok, lub też ustaliwszy odstęp elektrod, płynnie i powoli zwiększa się napięcie, aż wystąpi przeskok.

Pierwszy pomiar z każdej nowej serii pomiarowej należy odrzucić, ponieważ może on być obarczony znacznym błędem, spowodowanym nawet niewielkim, trudno dostrzegalnym zakurzeniem elektrod (kurz na elektrodach obniża napięcie przebicia - szczególnie napięcia stałego). "Następne pomiary będą już powtarzalne, ponieważ w czasie przeskoku kurz zostanie zdmuchnięty z elektrod, a po zapaleniu się łuku - wyrzucony z przestrzeni międzyelektrodowej.

Przeskok - związany nieodłącznie z pomiarami iskiernikiem kulowym - może wywołać w obwodzie probierczym i pomiarowym niebezpieczne dla aparatury oscylacje i przepięcia, a łuk w przerwie międzyelektrodowej może uszkodzić lub zniszczyć kule. Dlatego w obwód iskiernika należy włączyć szeregowo opornik. Ma on za zadanie zmniejszać prąd łuku i ograniczać w ten sposób zużycie elektrod (nadtapianie. erozja). Ponadto powinien on tłumić przepięcia oscylacyjne. Tłumienie występuje już przy rezystancji kilkuset omów. natomiast do ochrony kul przed oddziaływaniem łuku niezbędne są znacznie większe rezystancje. Jednakże w przypadku napięcia przemiennego zastosowanie opornika o zbyt dużej rezystancji może spowodować wystąpienie na nim tak dużego spadku napięcia, że napięcie na iskierniku będzie wyraźnie niższe niż napięcie mierzone.

Zastosowanie iskiernika kulowego umożliwia bezpośrednie pomiary wartość szczytowej napięć udarowych. Pomiar polega na znalezieniu takiego odstępu elektrod dla którego połowa z przyłożonej serii udarów o jednakowej wartości szczytowej woduje przeskok między kulami iskiernika. Takie napięcie odpowiada pięćdziesięciu - procentowemu napięciu przebicia iskiernika (UPA 50%)~

Wytrzymałość powietrza zależy od jego gęstości, która jest wprost proporcjonalna do ciśnienia p i odwrotnie proporcjonalna do temperatury T w skali bezwzględnej. Gęstość względna powietrza w warunkach normalnych (p=10l3 hPa. T=293 K) jest równa jeden, natomiast w innych warunkach oblicza się ją ze wzoru:

gdzie: p - ciśnienie [hPa] T - temperatura [K]

Przy zmianie gęstości względnej powietrza 8 w granicach występujących w naturze istnieje prawie proporcjonalna zależność wytrzymałości powietrza od jego gęstości względnej.-W tym celu umożliwienia porównania wyników pomiaru uzyskanych w różnych warunkach, przelicza sieje na warunki normalne korzystając ze wzoru:

gdzie: Upn - napięcie przeskoku w warunkach normalnych

Up - napięcie przeskoku

Wzory te są przybliżone, ale dokładność wyników uzyskanych przy ich zastosowaniu jest zazwyczaj wystarczająca. Jedynie w przypadku iskierników kulowych stosuje się dokładniejsze przeliczenia. Uwzględnia ono współczynnik korekcyjny k, zależny od gęstości względnej powietrza. Napięcie przeskoku iskierników kulowych w warunkach normalnych oblicza się ze wzoru:

δ	0.70	0.75	0,80	. 0,85	0.90	0.95	1,0	1,05	1,10	1,15
k	0.72	0.77	0,82	0,86	0.91	0.95	1,0	1,05	1.09	1,13

Układy elektrod :

a. elektrody kulowe o średnicy ….. układ symetryczny - 0,5cm; 1cm; 2 cm; 3cm ; 4cm

b. elektrody kulowe o średnicy ….. układ niesymetryczny -

c. elektrody kulowe o średnicy ….. układ symetryczny

d. elektrody kulowe o średnicy ….. układ niesymetryczny

e. elektrody płaskie układ symetryczny

f. elektrody płaskie układ niesymetryczny

g. elektrody ostrzowe układ symetryczny

h. elektrody ostrzowe układ niesymetryczny

5. Wnioski.

Porównanie wytrzymałości elektrycznej (opracowanie charakterystyk wytrzymałości).

Literatura:

Zbigniew Gacek - "Technika wysokich napięć"

Jerzy Skubis - "Wybrane zagadnienia z techniki i diagnostyki wysokonapięciowej"

Ćwiczenia laboratoryjne - Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej - Skrypt

Laboratorium techniki wysokich napięć - Wydawnictwo Politechniki Opolskiej - Skrypt

Hanna Mościska-Grzesiak - Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa elektrotechnicznego i techniki wysokich napięć

---