Politechnika Śląska w Gliwicach

Wydział: Elektryczny

Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów

Zakład Wysokich Napięć

Temat: Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu przemiennym

Sekcja nr 3:

Patryk Lizut

Krzysztof Widak

Damian Slęzok

Rafał Wojna

Michał Bednarek

Elektrotechnika

gr. 2 sem. 2

22.03.2011

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest obserwacja różnych form wyładowań elektrycznych oraz poznanie wpływu kształtu geometrycznego elektrod i cienkich przegród w przestrzeni między-elektrodowej na wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych powietrznych. Zakres ćwi­czenia obejmuje pomiary napięcia początkowego wyładowań i napięć przeskoku w różnych układach elektrod, przy napięciu przemiennym.

2. Wstęp

Powietrze jest dobrym i jednocześnie najtańszym materiałem izolacyjnym. Wytrzymałość elektryczna układu powietrznego jest ograniczona napięciem, przy którym wystąpi wyładowanie zupełne w postaci przeskoku lub łuku elektrycznego. Pojawienie się wyładowania zupełnego jest jednoznaczne z powstaniem zwarcia międzyelektrodowego o małej rezystancji, co prowadzi do przepływu prądu zwarciowego w obwodzie.

Przepływ prądu w układzie powietrznym występuje również przy napięciach niższych od napięcia przeskoku, ale jego natężenie jest wówczas nieporównywalnie mniejsze od prądu zwarciowego. Natężenie prądu w funkcji przyłożonego napięcia wzrasta w sposób zróżni­cowany, co jest wyrazem pojawiania się kolejnych form wyładowań niezupełnych. Na samym początku źródłem swobodnych nośników ładunków w przestrzeni międzyelektrodowej są wyłącznie czynniki zewnętrzne, np. jonizatory występujące w środowisku naturalnym .

Przepływ prądu odbywa się w wyniku dryfu tych ładunków do elektrod zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego. Wzrost natężenia prądu w funkcji napięcia jest tu możliwy tylko do określonego poziomu, którym jest prąd nasycenia, ograniczony efektywnością działania jonizatorów zewnętrznych.

Gęstość prądu nasycenia jest rzędu 10^-18 A/mm².

Dalszy wzrost natężenia prądu obserwuje się dopiero po przekroczeniu napięcia jonizacji U_j . Przy tym napięciu nośniki ładunku mogą uzyskać w polu elektrycznym energię kinetyczną krytyczną, wystarczającą do spowodowania jonizacji zderzeniowej i zapoczątkowania rozwoju lawin elektronowych. Mimo to wyładowanie ma nadal charakter niesamodzielny, tzn. w przypadku usunięcia działania jonizatorów zewnętrz­nych przepływ prądu zaniknie.

Zmiana charakteru wyładowania na samodzielne następuje przy napięciu U₀, wyższym od napięcia jonizacji i nazywanym napięciem początkowym wyładowań samodzielnych.

Warunki powstawania wyładowań samodzielnych formułuje się zależnie od rodzaju mechanizmu rozwoju wyładowania działającego w rozważanym układzie.

Wyładowanie samodzielne rozwija się tylko w tych częściach przestrzeni między-elektrodowej, w których natężenie pola elektrycznego jest wystarczające do podtrzymania jonizacji zderzeniowej. Z tego powodu wyładowanie samodzielne w układzie o polu nierównomiernym nie jest równoznaczne z wyładowaniem zupełnym. Dalsze zwiększenie napięcia w takim układzie powoduje wzrost obszarów występowania wyładowań samodzielnych, objawiający się coraz większą rozległością i intensywnością efektów świetlnych i dźwiękowych (świecenie, snopienie, syczenie, trzaski).

Przy określonym napięciu dochodzi do wyładowania zupełnego w postaci przeskoku iskry między elektrodami układu. Jeśli moc źródła zasilania jest wystarczająco duża, wyładowanie iskrowe przechodzi w łuk elektryczny.

Wytrzymałość układów izolacyjnych powietrznych zależy m.in. od następujących czynników:

- kształtu geometrycznego elektrod i odstępu miedzyelektrodowego;

- parametrów fizycznych powietrza;

- przebiegu czasowego napięcia ;

- biegunowości elektrod w przypadku napięcia wyprostowanego;

- ewentualnego zastosowania cienkich przegród izolacyjnych w przestrzeni między-

elektrodowej.

3. Układ probierczy i pomiarowy

Schemat układu probierczego do badania wytrzymałości elektrycznej układów izolacyjnych powietrznych przy napięciu przemiennym.

TP – transformator probierczy;

R – rezystor ochronny;

OB – obiekty badań;

kV – kilowoltomierz elektrostatyczny;

P – przegroda przesuwna z papieru.

UWAGI: 1) Podczas wykonywania ćwiczenia w dniu 22.03.2011r. nie została użyta przegroda przesuwna z papieru. 2) Przed transformatorem probierczym TP znajdował się autotransformator

służący do regulacji napięcia dolnego transformatora TP. 3) Woltomierz mierzył napięcie po stronie pierwotnej TP.

DANE TRANSFORMATORA PROBIERCZEGO:

TP 60 - model

220V – napięcie zasilania

30 – 60kV – zakres napięcia

10kA - moc

220/60 000V – dolne oraz górne napięcie

4. Program ćwiczenia

Pomiary napięcia początkowego wyładowań (U₀) i napięcia przeskoku (U_p ) wykonuje się w pomieszczeniu zaciemnionym. Napięcie probiercze należy regulować powoli, aby można było dokładnie zaobserwować pojawienie się wyładowań początkowych. Dalsze podnoszenie napięcia powinno odbywać się ze stalą prędkością, ok. 1 kV/s. W chwili wystąpienia przeskoku należy układ natychmiast wyłączyć. Przed ponownym włączeniem wysokiego napięcia pokrętło autotransformatora powinno być ustawione w położeniu zerowym.

Każdy pomiar należy wykonać trzykrotnie i jako wynik przyjąć wartość średnią. Otrzymane wyniki pomiarów sprowadza się do warunków normalnych wg wzorów:

$$U_{0n} = \frac{U_{0}k_{w}^{m2}}{\delta^{m1}}$$

$$\backslash n{U_{\text{pn}} = \frac{U_{p}k_{w}^{m2}}{\delta^{m1}}\backslash n}$$

gdzie: δ = 0,289p/T – gęstość względna powietrza;

k_w = 25/(21,7+0,3w) – współczynnik poprawkowy ze względu na wilgotność

powietrza (dla napięcia przemiennego);

T – temperatura (w K);

p – ciśnienie (w hPa);

w – wilgotność bezwzględna powietrza (w g/cm³), w ćwiczeniu przyjęte ok.

10,5 g/cm³;

m1 i m2 – wykładniki potęgowe, zależne od rodzaju i biegunowości napięcia

oraz stopnia nierównomierności pola elektrycznego (dla napięcia

przemiennego m1 = m2 = 1).

Zależność wilgotności względnej powietrze od wilgotności bezwzględnej dla różnych temperatur.

DODATKOWE DANE:

21,5 °C – temperatura (294,65 K);

1011 hPa – ciśnienie;

55% - wilgotność powietrza.

Należy zbadać zależność napięcia początkowego U₀ i napięcia przeskoku U_p od odległości między elektrodami o różnym kształcie. Do badań przewidziano następujące układy elektrod:

a) kula-kula uziemiona (odstęp a = 4 ... 20 mm),

b) ostrze-ostrze uziemione (odstęp a = 10 ... 50 mm),

c) ostrze-płyta uziemiona (odstęp a = 10 ... 50 mm).

5. Opracowanie wyników pomiarów

UWAGI: W tabelach zostały już uwzględnione wartości średnie z wykonanych pomiarów

(dane potrzebne do obliczenia wartości średnich jak i niektórych innych wielkości

znajdują się na karcie pomiarowej).

Legenda dla tabel:

Lp. – liczba porządkowa, kolejne wykonane pomiary;

a – odległość pomiędzy elektrodami;

U₀ – napięcie wyładowań początkowych, obliczone z wartości średniej

wskazania woltomierza (karta pomiarowa) pomnożonego przez

przekładnię transformatora;

U_p – napięcie przeskoku, obliczone z wartości średniej

wskazania woltomierza (karta pomiarowa) pomnożonego przez

przekładnię transformatora;

U_0n, U_pn – powyższe napięcia sprowadzone do warunków normalnych według

podanych w punkcie 4 wzorów;

E_0n – natężenie pola elektrycznego przy wyładowaniach początkowych;

E_pn – natężenie pola elektrycznego przy przeskoku;

U₀, U_p w tabeli „Napięcie obliczone” obliczone za pomocą podanych niżej wzorów.

Wzory:

$\vartheta = \ \frac{U_{g}}{U_{d}} = \frac{60\ 000}{220} = 272,7$ – przekładnia transformatora TP 60;

$E_{0n} = \frac{U_{0n}}{a}$ - wielkość ta nie ma interpretacji fizycznej;

$E_{\text{pn}} = \ \frac{U_{\text{pn}}}{a}$ – wielkość ta nie ma interpretacji fizycznej;

Tabela „Napięcie obliczone”:

a)kula-kula uziemiona:

$U_{p} = 1,36 + 3a\delta\ \ \ \ \ dla\ \frac{a}{r} \leq 2$

b)ostrze-ostrze uziemione:

U₀ ≤ 10 kV

$U_{p} = \left\{ \begin{matrix} 1 + 0,63a\ \ \ dla\ \ \ \ a \leq 30\ mm \\ 5 + 0,375a\ \ \ dla\ \ \ 80 \leq a \leq 2500\ mm \\ \end{matrix} \right.\ $

c)ostrze-płyta uziemiona:

U₀ ≤ 10 kV

$U_{p} = \left\{ \begin{matrix} 1 + 0,63a\ \ \ dla\ \ \ \ a \leq 30\ mm \\ 7 + 0,336a\ \ \ dla\ \ \ 80 \leq a \leq 2500\ mm \\ \end{matrix} \right.\ $

 

ad. a) kula-kula uziemiona

Tabela z wynikami pomiarów

Wykres

ad. b) ostrze-ostrze uziemione

Tabela z wynikami pomiarów

Wykres

ad. c) ostrze-płyta uziemiona

Tabela z wynikami pomiarów

Wykres

d) wykres wspólny dla natężenia pola elektrycznego przy przebiciu E_pn w funkcji odległości pomiędzy

elektrodami a.

Wykres E_pn=f(a)

6. Wnioski

Wykonanie ćwiczenia pozwoliło nam na poznanie wpływu kształtu geometrycznego elektrod na wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych powietrznych. W czasie wykonywania ćwiczenia wywoływaliśmy wyładowania niezupełne oraz zupełne pomiędzy różnymi kształtami elektrod, pomiędzy dwiema kulami, dwoma ostrzami, a także ostrzem i płytą.

Zauważyliśmy, że największe natężenie pola elektrycznego przy przebiciu (E_pn) występowało dla wyładowań pomiędzy dwiema kulami. Natomiast dla dwóch pozostałych przypadków natężenia były podobne.

Zauważyliśmy także, że przy metodzie obliczeniowej napięć U₀ oraz U_p występują pewne rozbieżności co do wartości rzeczywiście zmierzonych, najwyraźniej różnice te widać je dla wyższych napięć wyładowań (większych odległości) pomiędzy kulami.

Niestety nie udało nam się odczytać wartości napięć wyładowań początkowych (U₀) dla odległości 10 oraz 20 mm pomiędzy dwoma ostrzami.

Nie powiodło się także odczytanie wartości tych napięć dla układu dwóch kul, lecz to było już zgodne z naszymi oczekiwaniami.