Laboratorium:

Wysokonapięciowe Układy Izolacyjne

Temat ćwiczenia:

WPŁYW PRZEGRÓD NA NAPIĘCIE PRZESKOKU

W IZOLACYJNYCH UKŁADACH POWIETRZNYCH

1. Omówienie zagadnienia

Przegrodę lub barierę w polu elektrycznym stanowi cienka jednorodna warstwa (płyta) izolacyjna lub metaliczna, ustawiona prostopadle do kierunku wektora natężenia pola w przerwie międzyelektrodowej układu izolacyjnego, wypełnionej gazem lub olejem izolacyjnym.

W dielektryku gazowym, przegrody umieszczone w przestrzeni między-elektrodowej wpływają na rozkład pola i ładunku przestrzennego w tej przestrzeni, a w dielektrykach ciekłych dodatkowo przeciwdziałają tworzeniu się mostków.

W polu jednorodnym i przy czystych dielektrykach (ciekłych) wpływ przegrody jest nieznaczny. Zastosowanie przegród dla zwiększenia wytrzyma-łości układów izolacyjnych powietrznych i olejowych daje oczekiwany skutek dopiero w przypadku układów o polu niejednostajnym.

Przegrody znajdują zastosowanie w układach izolacyjnych szeregu elektro-energetycznych urządzeń wysokonapięciowych takich jak np. transformatory, kondensatory, izolatory przepustowe, gdzie występuje pole niejednorodne.

W układach o polu niejednostajnym istnieje naturalna możliwość powsta-wania lokalnych ładunków przestrzennych skoncentrowanych np. wokół krawędzi elektrod ostrzowych. Umieszczenie przegrody w obszarze skoncentro-wanego ładunku przestrzennego powoduje, że przyjmie on postać ładunku powierzchniowego, rozłożonego równomiernie na powierzchni przegrody, co da efekt złagodzenia naprężeń elektrycznych w części układu izolacyjnego.

Wpływ przegrody na zmianę (poprawę) wytrzymałości układu izolacyjnego polega więc głównie na korzystnej zmianie rozkładu pola w przestrzeni międzyelektrodowej - zmniejszeniu naprężeń.

W celu zwiększenia wytrzymałości elektrycznej układu izolacyjnego, przegrody izolacyjne lub przewodzące (o potencjale swobodnym) są umieszczane w pewnej odległości od elektrod.

W tej sytuacji bez większego znaczenia jest elektryczna wytrzymałość samej przegrody izolacyjnej. W przypadku przegród przewodzących, efekt poprawy wytrzymałości jest mniejszy, ale istnieje tu dodatkowo możliwość wysterowania pola w przestrzeni międzyelektrodowej poprzez uziemienie przegrody przewo-dzącej przez odpowiednio dobraną rezystancję.

- 2 -

Wpływ położenia przegrody na napięcie przeskoku wyraźnie występuje w układach o elektrodach o asymetrii powierzchni elektrod np. w układzie ostrze-płyta. Skuteczność oddziaływania przegrody na elektryczną wytrzymałość takiego rodzaju układu izolacyjnego zależy od położenia przegrody między elektrodami, rodzaju napięcia, biegunowości elektrod.

Gdy bariera jest w pobliżu ostrza dodatniego wówczas ładunek przestrzenny o biegunowości zgodnej z biegunowością ostrza zostaje rozmieszczony równomiernie na przegrodzie i powoduje wyrównanie jednorodności pola po jej drugiej stronie. Wytrzymałość układu zwiększa się na skutek wystąpienia jednorodności pola w obszarze pomiędzy przegrodą a elektrodą płaską.

W miarę oddalania przegrody od elektrody ostrzowej efekt ten osiąga szybko maksimum a następnie maleje. W przypadku dodatniej biegunowości ostrza stosowanie przegrody jest skutecznym sposobem poprawy wytrzymałości układu. Charakterystykę wytrzymałości takiego układu przedstawiono rys.l.

Rys.l. Zależność Up - f(a1) układu z przegrodą przy biegunowości dodatniej

ostrza l - charakterystyka układu z przegrodą, 2 - charakterystyka bez przegrody

Gdy ostrze jest ujemne efekt rozłożenia ładunku na przegrodzie również występuje. Jest on jednak mniejszy niż w przypadku ostrza dodatniego. W miarę oddalania przegrody od elektrody ostrzowej zaczyna się powiększać dodatni ładunek przestrzenny przy ostrzu.

Efekt poprawy jednorodności pola pomiędzy elektrodą ostrzową a przegrodą zostaje zredukowany przez oddziaływanie dodatniego ładunku przestrzennego przy ostrzu z ładunkami ujemnymi na przegrodzie. Następuje w tym obszarze wzrost naprężeń prowadzący do znacznego obniżenia wytrzymałości układu.

Charakterystykę wytrzymałości takiego układu przedstawiono na rys.2.

Przy napięciu przemiennym efekt zastosowania przegrody w układzie elektrod ostrze-płyta jest podobny do poprawy wytrzymałości przy ostrzu dodatnim, tj. według charakterystyki Up = f(a1) z rys.l.

-3 -

Rys.2. Zależność Up = f(a1) układu z przegrodą przy biegunowości ujemnej

ostrza l - charakterystyka układu z przegrodą, 2 - charakterystyka bez przegrody

2. Przebieg ćwiczenia

Zakres pomiarów

W ćwiczeniu zostanie sprawdzony wpływ przegród w izolacyjnych układach powietrznych.

Przy zasilaniu napięciem stałym należy zmierzyć napięcie przeskoku iskiernika ostrze-płyta Up - f(a) przy obu biegunowościach ostrza. Następnie należy wyznaczyć charakterystykę napięcia przeskoku Up = f(a1) w funkcji odstępu przegrody od elektrody (ostrzowej lub płytowej) również dla obu biegunowości ostrza.

Sposób przeprowadzenia pomiarów

Przy zasilaniu badanego układu elektrod napięciem stałym należy skorzystać z aparatu ABK-70. Biegun wysokiego napięcia w tym aparacie ma polaryzację ujemną.

Elektrody iskiernika należy ustawić w odległości 3 cm. Pomiary wytrzyma-łości układu z przegrodą należy przeprowadzić zmieniając położenie przegrody w kolejnych pomiarach o 0,5 cm.

Jako przegrody należy użyć papieru umocowanego w izolacyjnej ramce. Po każdorazowym przeskoku i przebiciu papieru należy wymienić przegrodę na nową.

- 4-

Wyniki pomiarów

Tablica 1.Napięcie zasilające stałe

Biegunowość elektrod	Lp.	a	up1	Up2	Up3	upśr	Upn	Uwagi
		cm	kV	kV	kV	kV	kV
Ostrze ujemne Płyta uziemiona	1							bez przegrody
	2							z przegrodą
	3
	4
Ostrze uziemione	1							bez przegrody
Płyta ujemna	2							z przegrodą
	3
	4

Objaśnienia do Tablicy 1:

a - odległość przegrody od elektrody płytowej,

U_pl, U_p2, U_p3 - napięcie odpowiadające trzem przeskokom,

U_pśr - średnia trzech wartości napięcia przeskoku,

U_pn = U_pśr/δ - napięcie przeskoku przeliczone na warunki atmosferyczne normalne (δ - współczynnik gęstości powietrza zależny od temperatury i ciśnienia powietrza).

Tablica 2. Napięcie zasilające przemienne

Lp.	a	up1	Up2	Up3	upśr	Upn	Uwagi
		cm	kV	kV	kV	kV		kV
1 2 3 4							bez przegrody z przegrodą

Na podstawie pomiarów należy wykreślić charakterystyki Upn = f (a) przy zasilaniu napięciem stałym dla ostrza ujemnego i dodatniego oraz przy zasilaniu napięciem przemiennym dla płyty uziemionej. Charakterystyki wykreślić we wspólnym układzie współrzędnych.

Wnioski

Przeanalizować wpływ przegród na wytrzymałość układów powietrznych.

Opracowanie instrukcji: W. Górczewski

---