LABORATORIUM Wysokich napięć			.
Wykonali :			Grupa:	Zespół:	Rok akademicki: 1999/2000
Nr ćwiczenia: 3,4	Temat: Wytrzymałość elektryczna powietrznych układów izolacyjnych. Badanie napięcia metodą iskierników kulkowych				Ocena i podpis:

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest badanie wytrzymałości dielektrycznej powietrza i poznanie zjawisk zachodzących podczas wyładowania.

Przebieg badań.

Badania przeprowadza się przy użyciu układu podanego na schemacie poniżej.

Zasadniczym elementem układu jest transformator probierczy wytwarzający wysokie napięcie. W celu ograniczenia prądu zwarcia transformatora po przeskoku na iskierniku ostrzowym lub kulowym stosuje się opornik ograniczający (wodny). Przed przystąpieniem do właściwych badań należy dokonać skalowania układu pomiarowego za pomocą iskiernika kulowego. Celem skalowania jest wyznaczenie zależności wartości szczytowej napięcia przemiennego 50 Hz, po stronie wtórnej transformatora od wskazań woltomierza włączonego po stronie pierwotnej transformatora (woltomierz ten reaguje na wartość skuteczną napięcia, dlatego też ze skalowania tego można później korzystać tylko niezmienionym kształcie krzywej napięcia). Skalowanie należy przeprowadzić dla kilku odstępów iskiernika kulowego: 0,5 ; 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 cm. Wartości napięć dla tych odstępów dla kilku rodzajów kul iskiernikowych podaje tablica.

Tablica 1.

Odstęp kul [cm]	Średnica kul [cm]
		5	6,25	10	12,5	15
0,5	17,4	17,2	16,8	16,8	16,8
1,0	32,0	31,9	31,7	31,7	31,7
1,5	45,5	45,5	45,5	45,5	45,5
2,0	57,5	58,5	59,5	59,5	59,5
2,5	-	69,8	72,0	72,5	72,7
3,0	-	79,5	84,0	85,0	85,5
3,5	-	-	95,0	97,0	98,0

W czasie skalowania należy napięcie podwyższać z jednakową szybkością, taką aby można było swobodnie odczytywać wzrastające wskazania woltomierza. Dla każdego odstępu należy dokonać co najmniej trzech prób skalowania. Do dalszych obliczeń przyjmuje się wartość średnią arytmetyczną wskazań woltomierza. Jeśli wartości wskazań różnią się od średniej więcej niż od ± 3%, skalowanie należy przeprowadzić ponownie. Po wyskalowaniu układu pomiarowego przystępujemy do właściwych badań wytrzymałości powietrza w układzie iskiernika ostrzowego. Badania należy przeprowadzić dla odstępów w granicach 5...20 cm zmieniając odstęp co 3 cm. Po nastawieniu żądanego odstępu iskiernika ostrzowego i zaciemnieniu pomieszczenia podnosimy napięcie ze stałą szybkością (1...2 kV/s), notując odpowiednie wskazania woltomierza odpowiadające napięciom świetlenia, snopienia i przeskoku. Po przeskoku natychmiast wyłączamy napięcie za pomocą stycznika; zabronione jest obniżanie napięcia przy użyciu regulatora w momencie wystąpienia przeskoku. Dla każdego odstępu i dla każdego rodzaju napięcia wykonujemy trzy pomiary.

Iskierniki kulowe średnica 12,5 mm.

Odległość [cm]	1.	2.	3.	Średnia	PN
D=0,5	9,5	9	9,5	9,333333	11,09
D=1	20	20	20	20	22,41
D=1,5	32	31	31	31,33333	32,17
D=2	40	39,5	39,5	39,66667	42,07
D=2,5	47	48	48	47,66667	49,49
D=3	58	58	58	58	60,1

Iskierniki kulowe średnica 6 mm.

Odległość [cm]	1.	2.	3.	Średnia	PN
D=1	22	22	22	22	22,55
D=2	40	40	40	40	41,36
D=3	56	56	56	56	56,21

Iskiernik ostrze - płaszczyzna.

Odległość [cm]	1.	2.	3.	Średnia
D=1	8,9	8,7	9	8,866667
D=2	14	14,5	15	14,5
D=3	20	20,5	20,5	20,33333
D=4	24,5	24,5	24	24,33333
D=5	28	28,5	28,5	28,33333
D=6	31	31,5	31	31,16667

Obliczenia:

Napięcie przeskoku jest proporcjonalne do gęstości względnej powietrza, w zakresie zmian temperatury i ciśnienia zachodzących w warunkach atmosferycznych. Gęstość względną powietrza obliczamy ze wzoru:

b - ciśnienie atmosferyczne w mm Hg,

t - temperatura powietrza w °C.

Ponieważ pomiarów dokonywaliśmy w warunkach pokojowych, czyli t = 20°C, p = 760 mm Hg, zatem gęstość względna powietrza w naszym przypadku jest w przybliżeniu równa jedności.

WNIOSKI :

Powietrze jest najpowszechniejszym dielektrykiem w praktycznych układach izolacyjnych wysokiego napięcia. Jego wytrzymałość dielektryczna oraz mechanizm wyładowań elektrycznych w powietrzu ma więc pierwszorzędne znaczenie dla praktyki. Wytrzymałość dielektryczna powietrza zależy od bardzo wielu parametrów i zrozumienie ich wpływu wymaga znajomości mechanizmu rozwoju wyładowania. Zasadniczymi parametrami, od których zależy wytrzymałość powietrza są: konstrukcja układu izolacyjnego i zależny od niej rozkład pola elektrycznego w przerwie iskrowej, rodzaj i przebieg napięcia w czasie, gęstość powietrza i wilgotność powietrza. Przy wyładowaniach w powietrzu po powierzchni dielektryków stałych na wytrzymałość wpływa również dielektryk stały, stan jego powierzchni, a przy zabrudzeniach i zawilgoceniu powierzchni - także czas przyłożenia napięcia. Mechanizm wyładowania elektrycznego w powietrzu w polu jednostajnym lub zbliżonym do jednostajnego jest zależny od wartości iloczynu odstępu międzyelektrodowego a przez ciśnienie b przy założeniu stałości temperatury t. Dla mniejszych iloczynów ab w granicach 200...1000 cm mm Hg, przy temperaturze pokojowej, mamy do czynienia z mechanizmem Townsenda. Mechanizm ten związany jest z zapoczątkowaniem jonizacji przez jeden elektron, procesem rozwoju lawiny elektronowej w wyniku jonizacji elektronowej zderzeniowej oraz wyzwalaniem nowych elektronów z katody drogą jonizacji powierzchniowej. Napięcie początkowe będące jednocześnie napięciem przeskoku jest funkcją podanego iloczynu ab
przy t = const.

Dla większych wartości ab włącza się inny mechanizm wyładowania, zwany kanałowym. Występuje on wówczas, gdy lawina elektronowa nie dochodząc do anody osiąga taką wartość krytyczną, przy której gęstość ładunku przestrzennego wyraźnie odkształca pole zewnętrzne; następuje wtedy zaabsorbowanie wysłanych lawiny fotonów i powstanie przed i wokół lawiny fotoelektronów zdolnych zapoczątkować nowe lawiny (fotojonizacja). Te nowe lawiny przy swym rozwoju i przy rozwoju lawiny początkowej łączą się wytyczając rozwój kanału (tzw. strimera) wyładowania. Strimer przechodzi w silnie przewodzący lider (kanał, gdzie bierze również udział termojonizacja), który po rozwoju wzdłuż całej przerwy iskrowej daje wyładowanie zupełne.

W polu silnie niejednostajnym mamy podobne zjawiska z tym, że wyładowanie rozpoczyna się z obszaru o największym natężeniu pola elektrycznego; powstają tam najpierw lawiny elektronowe, które przechodzą w strimery i lidery aż do przeskoku.

W pierwszym przypadku pola jednostajnego i umiarkowanie niejednostajnego (np. układ kula - kula przy niewielkim odstępie) pierwszym widocznym wyładowaniem jest wyładowanie zupełne (iskra przeskoku), któremu odpowiada napięcie przeskoku równe napięciu początkowemu (U_p=U₀). W drugim przypadku pól silnie niejednostajnych (ulotu, korony lub świetlenia) odpowiada pierwszemu widocznemu wyładowaniu, związanemu z powstawaniem strimerów (U_p). Napięcie przeskoku jest wtedy większe, a w praktycznych układach izolacyjnych zwykle znacznie większe od napięcia początkowego (U_p>U₀).

Przy większych odstępach międzyelektrodowych występuje powyżej napięcia świetlenia U₀ skupianie się wyładowania w kanaliki o silniejszym świetle i powstają wiązki (snopy) takich kanalików. Mówimy, że swietlenie przechodzi w wyładowanie snopiaste i napięcie, przy którym ono występuje, nazywamy początkowym napięciem snopienia (U_s). Jednakże granica tego przejścia nie jest wyraźna.

W praktyce mamy przeważnie do czynienia z kanałowym mechanizmem rozwoju wyładowania, gdyż odstępy międzyelektrodowe zwykle przekraczają 1...2 cm, co przy ciśnieniu atmosferycznym i spotykanych w praktyce temperaturach, stanowi granicę rozdzielającą oba mechanizmy wyładowania: kanałowy i Townsenda.

Układy praktyczne należy traktować przeważnie jako układy ostrzowe, gdyż stosunek odległości do wymiarów elektrod jest na ogół duży i nawet uniknięcie ostrych krawędzi nie eliminuje nierównomierności rozkładu pola elektrycznego.

Napięcie świetlenia wzrasta bardzo nieznacznie ze wzrostem odstępu, natomiast napięcie przeskoku od pewnej wartości odstępu wzrasta praktyczne prostoliniowo. Wytrzymałość powietrza jest również zależna od jego wilgotności. Wilgotność ma wielki wpływ na napięcie przeskoku w układach silnie niejednostajnych (układy z wyładowaniami niezupełnymi), a mały wpływ w polu jednostajnym.

Napięcie przebicia dla gazów :

• maleje ze wzrostem temperatury;

- rośnie ze wzrostem ciśnienia;

• nieznacznie maleje ze wzrostem wilgotności;

• maleje w sąsiedztwie elementów uziemionych;

• rośnie w sąsiedztwie elementów pod napięciem;

• maleje w przypadku zanieczyszczenia gazów.

Przykładowe współczynniki wytrzymałości dielektrycznej gazów k_p. [kV/cm] ;

1. Dla powietrza - k_p. = 32 kV/cm.

2. Dla azotu - k_p. = 33 kV/cm.

3. Dla tlenu - k_p. = 29 kV/cm.

4. Dla neonu - k_p. = 2,9 kV/cm.

5. Dla pary wodnej - k_p. = 30 kV/cm.

6. Dla czero - chloro - metanu - k_p. = 180 kV/cm.

Za pomocą iskierników kulowych możemy dokonywać pomiaru wysokich napięć wszystkich rodzajów (przemienne, stałe, impulsowe). Jest to metoda bezpośrednia. Napięcie oceniane jest na podstawie odstępu pomiędzy kulami układu kulowego ekscentrycznego w warunkach, gdy U₀ = U_p. Metoda ta mierzy wartość szczytową.

Układ do pomiaru napięć metodą iskierników kulowych.

U₀ = U_p

2r∈(2cm - 2m), k∈(0,7 - 1,15), δ∈(0,72 - 1,13), δ = f (p,T), U_p = k⋅U_pn

Dokładność pomiaru:

• 3% dla 2r/D < 0,5;

• 5% dla 0,5 < 2r/D < 0,75.

Zależność napięcia przebicia U_p w funkcji odległości D.

1

2

~

V

RN

TP

R_org

I₀

I_p

D r

20 40 60 80

D [cm]

1000

800

600

400

200

U_p [kV]

2r = 1m

2r = 0,75m

2r = 0,5m

2r = 0,25m

---