МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт химии и энергетики
Кафедра «Электроснабжение и электротехника»
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» лабораторная работа №2
«Электрический разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика»
Группа: ЭЭТб-1901а
Студенты: Назаров М.О.
Преподаватель: Федяй О.В.
Допуск: __________________
Выполнено: ______________
Зачтено: _________________
Тольятти 2022
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт химии и энергетики
Кафедра «Электроснабжение и электротехника»
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» лабораторная работа №2
«Электрический разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика»
Группа: ЭЭТб-1901а
Студенты: Бойченко Е.А.
Преподаватель: Федяй О.В.
Допуск: __________________
Выполнено: ______________
Зачтено: _________________
Тольятти 2022
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт химии и энергетики
Кафедра «Электроснабжение и электротехника»
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» лабораторная работа №2
«Электрический разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика»
Группа: ЭЭТб-1901а
Студенты: Печенкин Е.С.
Преподаватель: Федяй О.В.
Допуск: __________________
Выполнено: ______________
Зачтено: _________________
Тольятти 2022
Предварительные сведения
Разряд в газе или в жидком диэлектрике вдоль поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом. Разрядное напряжение по поверхности твердого диэлектрика зависит от рода диэлектрика, состояния его поверхности и формы электрического поля в промежутке между электродами. Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям:
− диэлектрик в однородном поле;
− диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности поля;
− диэлектрик в неоднородном поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности поля.
Диэлектрик, помещенный в однородном поле, казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка.
На рисунке 1а показано размещение диэлектрика в однородном поле. Поверхность раздела диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий электрического поля. Диэлектрик, помещенный в однородном поле, казалось бы, не нарушает постоянства напряженности поля, и поэтому естественно было бы предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте и разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка.
В действительности разряд происходит по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке, что объясняется влиянием воздушных прослоек между диэлектриком и электродом. Так как 𝜀В < 𝜀Д напряженность в воздушной прослойке выше средней напряженности промежутка, то возникает ионизация, частицы выходят на поверхность диэлектрика и способствуют развитию разряда.
Даже при плотном прилегании электродов к диэлектрику разрядное напряжение по поверхности остается более низким, чем в чисто воздушном промежутке, чему способствует адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большей поверхностной гигроскопичностью (например, стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (например, парафин, винипласт).
Вследствие гигроскопичности материала в диэлектрике всегда существует некоторый поверхностный слой адсорбированной влаги, имеющий очень большое, но все же конечное сопротивление. Так как вода обладает ионной проводимостью, то под действием электрического поля ионы начинают перемещаться к электродам. Движение ионов в микроскопически тонком поверхностном слое происходит весьма медленно.
Рисунок 1 - Характерные случаи расположения твердого диэлектрика в электрическом поле:
а) однородное поле; б) поле с преобладанием тангенциальной составляющей напряженности; в) поле с преобладанием нормальной составляющей напряженности
В первую очередь на электроды уйдут заряды с непосредственно прилегающих к ним участков поверхности. В результате вблизи каждого электрода создается избыточное скопление ионов того же знака, что и заряд электрода, это усиливает поле вблизи электрода, и разрядное напряжение уменьшается. Так происходит при длительном воздействии напряжения, т. е. при постоянном или переменном напряжении. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказиться, и поэтому разрядное напряжение снижается в меньшей мере.
В реальных изоляционных конструкциях твердый диэлектрик очень редко располагается в однородном поле, что используется для исследования характеристик разряда по поверхности диэлектрика при различной длительности приложения напряжения.
На рисунке 1б и 1в показано расположение диэлектрика в конструкциях с неоднородным полем. В первом случае (рисунок 1б), во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень мелких участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля 𝐸𝜏 преобладает над нормальной составляющей 𝐸𝑛, во втором (рисунок 1в) – нормальная составляющая много больше тангенциальной составляющей напряженности поля.
Расположение диэлектрика на рисунке 1б характерно для опорных изоляторов. Электрическое поле в этой конструкции неравномерно. Гигроскопические свойства диэлектрика мало влияют на величину разрядного напряжения, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную неоднородность поля. Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно заземлен. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается, и разряд начинается с электрода, находящегося под высоким потенциалом.
В конструкции (рисунок 1в), характерной для проходных изоляторов, у короткого электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется, и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабосветящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. В конструкции (рисунок 1в) в отличие от конструкции (рисунок 1б) стримерные каналы имеют значительно большую емкость по отношению к противоположному электроду, поэтому через них проходит сравнительно больший ток. При определенной величине напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов существенно увеличивается и становится возможной термическая ионизация. В результате сопротивление каналов разряда резко падает, интенсивность свечения возрастает. Такая форма стримерного разряда, при котором канал имеет высокую температуру, обусловленную термической ионизацией, называется скользящим разрядом. Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико, поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко вглубь промежутка. Ионизационный процесс захватывает все большую область. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения, и, наконец, процесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами. Чем больше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия. Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду.
При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее, чем больше величина этой емкости. Значит, при одинаковом расстоянии между электродами чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение по поверхности диэлектрика. В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, то есть емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.
Емкость 𝐶1, обратно пропорциональна толщине диэлектрика:
(2.1)
где 𝜀1 - диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика; 𝑑 – толщина диэлектрика.
Емкость 𝐶2 определяется по формуле:
(2.2)
где 𝜀2 – диэлектрическая проницаемость воздуха.
Сопротивление 𝜌1 определяется по формуле:
(2.3)
где 𝜌𝑣 – удельное объемное сопротивление диэлектрика.
Поскольку удельная поверхностная емкость обратно пропорциональна толщине
диэлектрика, разрядное напряжение при постоянном расстоянии между электродами
находится по формуле:
(2.4)
Если толщина диэлектрика постоянна, а расстояние между электродами
изменяется, разрядное напряжение:
(2.5)
В общем случае при переменных 𝑑 и 𝑙:
(2.6)
Множители 𝑘1, 𝑘2, 𝑘3, 𝑘4и показатели степени 𝑚 и 𝑛 – постоянные величины для
рассматриваемой изоляционной конструкции.