ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРКТИКУМ

«Защита от перенапряжений и изоляция электрооборудования»

Тольятти 2016

УДК 621.3.(75)

ББК 31.295Я73

Рецензенты

Нагаев Д.А. Защита от перенапряжений и изоляция электрооборудования: лабораторные работы / Д.А. Нагаев. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2016. – 1 опт. Диск.

Лабораторные работы содержат теорию и порядок выполнения лабораторных работ по курсу «Защита от перенапряжений и изоляция электрооборудования».

Лабораторные работы предназначены для студентов направления подготовки бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».

Текстовое электронное издание.

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», 2016

Содержание Оглавление

Введение 4

Лабораторная работа № 1 5

Электрические разряды в воздухе в сильнонеоднородном поле 5

Лабораторная работа № 2 15

Электрический разряд вдоль поверхности твердого диэлектрика 15

Лабораторная работа № 3 24

Распределение напряжения по гирлянде изоляторов 24

Лабораторная работа № 4 30

Профилактические испытания изоляции кабеля с вязкой пропиткой 30

Лабораторная работа №5 38

Защита от перенапряжений в системах электроснабжения 38

Введение Цель выполнения лабораторных работ

Основная цель работы в лаборатории ТВН заключается в более глубоком усвоении теоретической части курса, в изучении применяемой высоковольтной аппаратуры, в приобретении практических навыков по производству высоковольтных испытаний и измерений, в получении навыков в исследовании процессов при электрических разрядах, в обработке экспериментальных данных и в определении закономерностей исследуемых процессов.

Порядок выполнения лабораторных работ

Все студенты перед началом лабораторных занятий проходят вводный инструктаж по технике безопасности. Приступая к выполнению лабораторных работ, студент по разделу “Предварительные сведения” изучает основные закономерности рассматриваемых в работе явлений, знакомится со схемой испытательной установки, подготавливает таблицы для записи результатов измерений и после ответа на контрольные вопросы получает допуск к практическому выполнению работы.

Работы выполняются под руководством преподавателя и учебного мастера.

Работа завершается оформлением отчета, в котором приводятся схемы установок, таблицы измерений, расчета, графики и выводы.

Лабораторная работа № 1 Электрические разряды в воздухе в сильнонеоднородном поле Предварительные сведения

Самостоятельный разряд в газе. Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, возникающая под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах невозможно образование отрицательных ионов, и поэтому интенсивность процесса ионизации характеризуется коэффициентом ударной ионизации , определяемым числом ионизации, возникающих под действием электрона на пути в 1 см вдоль силовых линий электрического поля. В электроотрицательных газах происходит потеря электронов за счет их присоединения к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом , который определяет количество присоединившихся к нейтральным частицам электронов на пути в 1см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации _эф =  - . Коэффициент _эф (или ) зависит от напряженности электрического поля и плотности газа δ. В общем эта зависимость может быть представлена в виде

_эф =   ( Е /  ) , (1.1)

поэтому в неоднородном поле интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова.

Для развития разряда в газе необходим хотя бы один свободный электрон. После первого акта ионизации образуется два электрона, затем четыре и т.д. Этот постепенно увеличивающийся поток называется лавиной электронов. Число электронов в лавине

(1.2)

В процессе развития лавины в промежутке образуются положительные ионы, число которых равно N – 1, и фотоны, возникающие в результате того, что электроны лавины возбуждают молекулы газа, а переход возбужденных молекул в нормальное состояние сопровождается излучением. Воздействие фотонов и положительных ионов на катод и фотоионизация в объеме газа приводят к появлению электронов, которые называются вторичными, так как они возникают в результате вторичных процессов, связанных с развитием начальной лавины.

Общее число вторичных электронов N₂ пропорционально N – 1, т.е.

N₂ =  (N – 1) , (1.3)

Коэффициент  называется коэффициентом вторичной ионизации и в первом приближении может считаться величиной постоянной. Начальный электрон в газовом промежутке появляется либо за счет внешнего ионизатора (ультрафиолетового излучения солнца, космического излучения и т.д.), либо при распаде отрицательных ионов, которые всегда имеются в электроотрицательном газе и появление которых также обусловлено внешним ионизатором. Для того чтобы в дальнейшем разряд не, зависел от внешнего ионизатора, начальной лавине необходимо за счет вторичных процессов создать хотя бы один вторичный электрон, который положит начало новой лавине с числом элек­тронов не менее, чем в начальной. Разряд, не зависящий от внешнего ионизатора, называется самостоятельным. Условие самостоятельности имеет вид:

Так как α_эф = δ f (E / δ) , а напряжение между электродами равно интервалу напряженности электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов, то можно определить минимальное значение напряжения, называемое начальным, при котором выполняется условие самостоятельности разряда.

В однородном поле напряженность одинакова во всех точках промежутка. Поэтому, если ионизация началась, она распространяется от одного электрода к другому, и возникновение самостоятельного разряда обязательно означает полный пробой промежутка. Начальное напряжение в этом случае равно пробивному. То же самое происходит в квазиоднородных и слабо неоднородных промежутках.

В сильно неоднородных промежутках, таких, например, как стержень—плоскость, стержень—стержень, провод—плоскость, провод—провод и т. п., в которых радиус кривизны одного или обоих электродов намного меньше межэлектродного расстояния, при выполнении условия самостоятельности возникает особая форма разряда—коронный, когда ионизация происходит вблизи одного или обоих электродов, если они оба имеют малый радиус кривизны. Возникновение коронного разряда не означает полного пробоя промежутка. Коронный разряд может иметь две формы — лавинную и стримерную.

Лавинная форма коронного разряда характерна для очень малых радиусов кривизны электродов (1...2 мм). При этой форме коронного разряда зона ионизации имеет более или менее однородную структуру, что приводит к выравниванию электрического поля в промежутке. При стримерной форме коронного разряда отдельные лавины сливаются и образуют узкие ионизированные каналы (стримеры), причем ионизация происходит в основном на концах этих каналов, а проходящий по ним ток приводит к существенному повышению их температуры, недостаточному, однако, для возникновения термической ионизации. Если температура превышает этот предел и в канале возникает термическая ионизация, свойства его изменяются, и он называется лидером.

Полный пробой сильно неоднородного промежутка происходит при напряжении, больше начального, т. е. при наличии развитой короны. Поэтому пробивное напряжение зависит от формы коронного разряда. При лавинной короне, выравнивающей электрическое поле в промежутке, пробивное напряжение существенно выше, чем при стримерной, при которой напряженность поля на концах стримеров всегда очень велика.

Влияние полярности в сильно неоднородном поле. Начальное напряжение в промежутке стержень—плоскость слабо зависит от полярности, но все же при положительном стержне оно несколько выше, чем при отрицательном, что объясняется следующим образом. Коэффициент вторичной ионизации γ при положительной полярности стержня определяется фотоионизацией в объеме газа, вызванной излучением лавины. При отрицательной полярности стержня γ определяется фотоионизацией как в объеме газа, так и на поверхности стержня. Тогда из уравнения самостоятельности разряда следует, что число электронов в лавине, необходимое для выполнения условия самостоятельности разряда, при положительной полярности должно быть больше, чем при отрицательной. Число электронов в лавине возрастает с увеличением напряженности электрического поля y электрода; следовательно, при положительной полярности стержня напряженность поля и соответственно напряжение на промежутке должны быть больше, чем при отрицательной полярности.

Пробивное напряжение в промежутке стержень—плоскость, напротив, больше при отрицательном стержне, когда затруднено формирование стримера, необходимого для пробоя промежутка.

При положительном стержне объемный заряд имеет положительный знак (электроны уходят на стержень) и располагается около стержня. При отрицательном стержне объемный заряд лавины имеет как отрицательную, так и положительную зоны и расположен около границы ионизации.

При определенной величине напряжения условия формирования стримера у положительного стержня будут обеспечены, т.е. результирующая напряженность y головки лавины достаточна для возникновения стримера. При этом же напряжении, но при отрицательном стержне результирующая напряженность существенно ниже, чем при положительном стержне, поэтому для формирования стримера, а значит, и пробоя промежутка, необходимо повышать напряжение.

Влияние барьера. Барьером называется диэлектрик (например, бумага), который помещается между электродами перпендикулярно центральной силовой линии электрического поля. Изменение пробивного напряжения промежутка при наличии барьера вызвано изменением картины поля в промежутке вследствие осаждения ионов на поверхности барьера.

Если барьер расположен у стержня и касается его, ионизация в области, занятой им, будет невозможна. Следовательно, для возникновения коронного разряда и последующего пробоя промежутка необходимо увеличить напряжение в зависимости от толщины барьера.

Рисунок 1 – 1 Рисунок 1 – 2

Рис. 1-1. Распределение зарядов в промежутке стержень-плоскость при положительной полярности стержня: а - лавина электронов; б - положительный объемный заряд; в - кривые напряженностей поля: 1 - напряженность внешнего поля; 2 - напряженность объемного заряда; 3 - результирующая напряженность.

Рис. 1-2. Распределение зарядов в промежутке стержень-плоскость при отрицательной полярности стержня: а - лавина электронов; б - положительный объемный заряд; в - кривые напряженности поля: 1 - напряженность внешнего поля; 2 - напряженность объемного заряда; 3 - результирующая напряженность.

Если барьер установлен на некотором расстоянии от стержня, то он не повлияет на напряжение коронного разряда, который возникнет у стержня и приведет к появлению в промежутке между стержнем и барьером объемного заряда (электронов и положительных ионов). Заряды, имеющие знак, противоположный знаку стержня, движутся к нему, а заряды того же знака движутся к барьеру и осаждаются на его поверхности. При увеличении напряжения величина заряда на барьере возрастает, а, следовательно, увеличивается и напряженность электрического поля между барьером и плоскостью, что приводит к пробою между ними, а значит, и к пробою всего промежутка. Наибольшая напряженность электрического поля и наибольшее количество заряда в лавине будут на центральной силовой линии. Вследствие этого наибольшая плотность осевшего на поверхности барьера заряда будет в точке пересечения центральной силовой линии поля с барьером. Напряжение между стержнем и барьером практически не отличается от начального напряжения этого промежутка, оно существенно меньше пробивного напряжения и слабо зависит от расстояния между стержнем и барьером. Следовательно, пробивное напряжение промежутка стержень—плоскость с барьером определяется главным образом электрической прочностью промежутка барьер—плоскость.

Рис. 1-3. Распределение зарядов в промежутке стержень—плоскость с барьером:

а—при положительной полярности стержня; б—при отри­цательной полярности стержня

Рис. 1-4. Зависимость пробивного напряжения промежутка стержень—плоскость от месторасположения барьера:

1—при положительной полярности стержня; 2—при отрицательной полярности стержня

Поле промежутка барьер—плоскость более однородно, поэтому его пробивное напряжение выше, чем у исходного промежутка стержень—плоскость.

С удалением барьера от стержня поле становится все более, однородным, и пробивное напряжение его возрастает. При дальнейшем увеличении расстояния между барьером и стержнем промежуток S₂ уменьшается, уменьшается и пробивное напряжение.

Если барьер расположен близко от плоскости, пробивное на­пряжение определяется прочностью промежутка стержень—барьер, поэтому по мере приближения барьера к плоскости его влияние постепенно уменьшается.

Приведение разрядных напряжений к нормальным условиям. Для получения сопоставимых данных при испытании изоляционных конструкций разрядные напряжения, измеренные при различных атмосферных условиях, приводят к нормальным условиям. Международная электротехническая комиссия (МЭК) в качестве нормальных приняла следующие атмосферные условия: температура воздуха t_о =0° С, атмосферное давление Р_о =760 мм рт. ст., абсолютная влажность 11 г/м³ (давление водяных паров - D_o = 8,7 мм рт. ст.).

При отклонении давления и температуры от нормальных, разрядные напряжения приводятся к нормальным условиям делением измеренной величины на относительную плотность воздуха:

(1.4)

Влияние влажности учитывается коэффициентом

(1.5)

который находится из номограммы k = f (D_o).

Относительная плотность воздуха определяется отношением плотности воздуха при произвольных давлении Р и температуре Т = 273 + f к плотности воздуха при нормальных условиях:

(1.6)