ЛБ5 Бумага

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Направление − 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

Дисциплина – Высоковольтное энергетическое оборудование

ОТЧЕТ

по лабораторной работе

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ БУМАГИ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Исполнители:

студенты группы

5АМ09 ___________________________ Абдуллаев Б.С.

(подпись, дата)

___________________________ Колобылин Е.С.

(подпись, дата)

___________________________ Пидчаша К.А.

(подпись, дата)

___________________________ Шикхеримов М.Ю.

(подпись, дата)

Проверил:

к.т.н., доцент (ОЭЭ, ИШЭ) _____________________________ Юшков А. Ю.

(подпись, дата)

Томск – 2020

Цель работы: изучение влияния числа слоев в образцах офисной бумаги и кабельной пропитанной и непропитанной бумаги на ее электрическую прочность.

Задание:

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями по пробою твердых диэлектриков.

2. Подготовить образцы для испытания из кабельной бумаги и офисной бумаги.

3. Определить пробивное напряжение каждого образца в пяти точках.

4. Рассчитать среднее значение пробивного напряжения для каждого образца.

5. Рассчитать пробивную напряженность (электрическую прочность) для каждого образца.

6. Построить графические зависимости, показывающиеE_пр и U_пр бумаги от числа слоев в пакете Е_пр=f(n)и U_пр.ср=f(n).

7. Объяснить полученные результаты.

Краткие теоретические сведения

1. Кабельная бумага

В кабельной технике применяется несколько видов бумаги: для изоляционных силовых кабелей и арматуры для них, для изоляции телефонных кабелей и для экранирования изоляции силовых высоковольтных кабелей.

Кабельные бумаги для изоляции силовых кабелей на напряжении до 35 кВ включительно и обмоточных проводов для трансформаторов до 150 кВ изготавливают по ГОСТ23436-83 следующих марок: К-080, К-120, К-170 – обычная (однослойная), КМ-120, К-140, КМ-170 – многослойная, КМП-120 – многослойная упрочненная (более прочная по разрушающему усилию в машинном направлении).

Кабельные бумаги для изоляции кабелей на напряжение от 110 до 500 кВ изготавливаются по ГОСТ 645-79 следующих марок: КВМ-080, КВМ-120, КВМ-170 – многослойная, КВМС-080, КВМС-120, КВМС-170 – многослойная стабилизированная, КВМСУ-080, КВМСУ-120 – многослойная стабилизированная уплотненная.

Механические испытания кабельных бумаг проводятся по ГОСТ 13525.1–79, разрушающее усилие указывается для полоски бумаги шириной 15 мм.

Для кабельных бумаг по ГОСТ 645-79, предназначенных для изоляции кабелей напряжением от 110 до 500 кВ, нормируется тангенс угла диэлектрических потери, допустимое содержание натрия, бумаги имеют низкую зольность.

2. Электрический пробой

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием. Он протекает за время не более 10^-7 – 10^-8, не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более 1000 МВ/м. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Ход работы

Принципиальная электрическая установка приведена на рисунке 1

Рисунок 1 – Принципиальная схема установки

Тр – высоковольтный испытательный трансформатор; R–резистор; РУ – регулятор напряжения; О – образец с электродом; V–вольтметр для измерения напряжения пробоя; УС – устройство сигнализации о наступлении пробоя; К – контакт устройства сигнализации, отключающий первичную цепь трансформатора в момент пробоя образца

Экспериментальные и расчетные данные представлены в таблицах 1-3

Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные для сухой кабельной бумаги ЭКМ-140

Тип бумаги	Число слоев, n	Толщина образца, мм d	Пробивное напряжение, кВ	Среднее пробивное напряжение, кВ	Электрическая прочность, кВ/мм
ЭКМ-140 (сухая)	1	0,145	8	8,33	58,183
			8,5
			8
			8,3
			8,8
	2	0,287	9	9,05	31,607
			8,9
			9
			9,2
	3	0,428	9,1	10,97	25,595
			10,5
			11
			10,8
			11
			10,6

Пример расчета:

Толщина образца i-го слоя определяется как:

где – значение толщины образца первого слоя, мм; – количество слоев.

Среднее значение пробивного напряжения рассчитывается по формуле:

Электрическая прочность рассчитывается по формуле:

Расчеты для других бумаг выполняются аналогично.

Таблица 2 – Экспериментальные и расчетные данные для пропитанной кабельной бумаги ЭКМ-140

Тип бумаги	Число слоев, n	Толщина образца, мм d	Пробивное напряжение, кВ	Среднее пробивное напряжение, кВ	Электрическая прочность, кВ/мм
ЭКМ-140 (пропитанная)	1	0,153	9,8	9,91	65,262
			10
			10
			10
			9,8
	2	0,305	10,8	10,97	36,119
			11
			11,2
			10,9
			11
	3	0,455	11,5	11,73	25,703
			11,8
			12
			11,5
			11,8

Таблица 3 – Экспериментальные и расчетные данные для офисной бумаги А4

Тип бумаги	Число слоев, n	Толщина образца, мм d	Пробивное напряжение, кВ	Среднее пробивное напряжение, кВ	Электрическая прочность, кВ/мм
А4	1	0,12	6	6	54,546
			6
			6
			6
			6
	2	0,24	6,6	6,43	29,186
			6,5
			6

Продолжение таблицы 3

			6,5
			6,2
	3	0,34	7	6,98	21,094
			7
			6,8
			6,8
			7,2

Построим зависимости электрической прочности от числа слоев для каждой бумаги.

Рисунок 2 – Зависимость

Построим зависимости среднего пробивного напряжения от числа слоев для каждой бумаги.

Рисунок 3 – Зависимость

Вывод: получившиеся зависимости имеют медленно спадающий характер вследствие возникновения электрического пробоя диэлектрика. При электротепловом пробое электрическая прочность с увеличением толщины снижается, это обусловлено ухудшением теплоотвода из «глубинных» слоев диэлектрика за счет низкой теплопроводности. Развитие процессов термического разрушения приводит, в свою очередь, к чрезмерному возрастанию электропроводности и диэлектрических потерь. Их возрастание ещё больше усиливает процессы термического разрушения.

Получившиеся зависимости имеют возрастающий характер, поскольку напряжение теплового пробоя с изменением толщины увеличивается, так как требуется большее количество энергии электрического поля для пробоя диэлектрика большей толщины.

Более лучшими диэлектрическими свойствами обладает пропитанная кабельная бумага ЭКМ-140, за счет наличия масла в ней. В качестве дополнительного эксперимента для проверки диэлектрических свойств не электроизоляционного материала была использована обычная офисная бумага А4. Как показал опыт, обычная бумага А4 обладает худшими диэлектрическими свойствами в силу своего назначения, ведь она обычно предназначена для печати документов.