Лабораторно упражнение №3

1 Цел на упражнението

  Да се запознаят студентите с методите за определяне на електрическата якост на твърд диелектрик. Да се изследва зависимостта на пробивното напрежение от температурата.

2 Теоретична обосновка

     В литературата са дадени различни механзми на пробива в твърд диелектрик, но при пробива в твърди диелектрици наред с електрически, електротоплинен, и електрохимичен пробив са възможни даже йонизационен, електромеханичен и електротермичен механизъм на пробива. В чиста форма нито един от механизмите на пробив при твърд диелектрик не се изпълнява самостоятелно.

2.1 Видове пробиви в твърди диелектрици

  Електрически пробив - разрушаване на диелектрика обусловено от ударна йонизация на електроните или разрушаване на връзките между атоми, йони или молекули. Извършва се за време 10^-5÷10 ^-8 s.

     Електротоплинен пробив - разрушаване на диелектрика за сметка на прогресиращо локално отделяне на енергия, при протичане на ток през диелектрика.

      Йонизационен пробив - може да се наблюдава в полимерни диелектрици, съдържащи газови пори в които се развиват така наречените частични разряди. В резултат на електронно - йонно бомбардиране на стените на порите и действието на окисите на азота и озона, полимера изменя химичния си състав и механически се разрушава.

      Електротермичен пробив - характерен е за крехки диелектрици и пореста керамика. Възниква в резултат на механично разрушаване при развитие в микропукнатини на разряд в газовите включвания, които образуват прегрети области в диелектрика.

        Електромеханичен пробив - механично разрушаване на полимера при високо напрежение в резултат на което полимера се намира във високоеластично състояние. Причина се явява намаляване на дебелината на електродите поради електростатичната гравитация на електродите под действието на високо напрежение.

          Електрохимичен пробив - наблюдава се при ниски напрежения. Извършва се изменение на химичния състав и структурата на диелектрика в резултат на електрическо стареене. Времето на развитие на този вид пробив и 10³ ÷ 10⁸ s.

2.2 Пробивно напрежение Uпр.

    Минималното напрежение приложено към диелектрик и водещо до образуване в него на проводящ канал, се нарича пробивно напрежение.

   В зависимост от това как е оформен проводящият канал между електродите , пробива може да бъде пълен, непълен, частичен.

  При твърди диелектрици е възможен даже повърхностен пробив, след което по повредената повърхност на материала, ако е органичен диелектрик се образуват овъглени следи - трекинг.

  Намаляването на пробивното напрежение Uпр. във времето произлиза поради електрическото стареене на изолацията - необратим процес под действието на топлина и електрическо поле.

2.3 Електрическа якост

  Електрическа якост се нарича напрегнатостта на електрическо поле при пробив на изолацията в еднородно електрическо поле.

Uпр - пробивно напрежение, V;

h - дебелина на диелектрика, m;

Освен във V/m, електрическата якост се изразява във  MV/m или kV/m;

3 Схема на опитна постановка

Фиг.1.

      За определяне на електрическата якост на твърд диелектрик се използва  уредба АИИ-70, с принципна схема, показана на фиг.1. Схемата се състои от два блока: нисковолтов и високоволтов. Нисковолтовият блок обхваща: главен прекъсвач (ГП), автотрансформатор (АТ), автоматичен прекъсвач с максимално токово и термична защита. Чувствителността на защитата се избира с превключвател. Напрежението се измерва с волтметър с две скали, съответно ефективна и максимална.

     Високоволтовият блок се състои от повишаващ трансформатор (Т) с коефициент на трансформация к_v =500, токоограничаващо съпротивление R_защ =50 kΩ и електроди между които се поставя изпитваният диелектрик. При пробив автоматичният прекъсвач изключва захранването на високоволтовия трансформатор, но показанията на волтметъра се запазват. Вратата на предпазното заграждение е снабдена с електромеханична блокировка, контактите на която прекъсват веригата на захранващото напрежение.

   Измерването на пробивното напрежение на твърди електроизолационни материали се извършва при плавно или стъпално повишаване на приложеното напрежение. При повишаване на напрежението пробивът трябва да настъпи между 10-та и 20-та секунда ото началото на подоването на напрежението.

     Когато напрежението се подава стъпално, то се задържа на всяка степен по 20 секунди или 1 минута. Стойността на отделните степени се определят според БДС.

     При твърди електроизолационни материали съгласно БДС броят на образците трябва да бъде не по-малко от 5.

4 Задание за работа

I. Да се измери пробивното напрежение U_пр (ефективна стойност) на твърд диелектрик при променливо напрежение 50 Hz и температури 20,40, 60, 80, 100 ^оС. Данните от измерванията да се нанесат в таблица.

II. Да се определи електрическата якост на образци от твърд диелектрик при променлива напрежение 50Hz.

III. Да се изчисли средноаритметичната стойност на електрическата якост Е_пр по формулата:

U_i - пробивното напрежение при единично измерване;

h_i - средноаритметични стойности на дебелината на образеца;

n - брой на образците;

Получените резултати да се нанесат в таблица.

IV. Да се начертаят зависимостите на пробивното напрежение U_пр и електрическата якост Е_пр във функция от температурата.