Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze

Politechnika Lubelska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Katedra Urządzeń Elektrycznych i TWN
20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 38A
www.kueitwn.pollub.pl
LABORATORIUM TECHNIKI WYSOKICH NAPIĘĆ
Ćw. nr 18
Wytrzymałość układów uwarstwionych
powietrze - dielektryk stały
Lublin 2012
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest:
•
określenie wytrzymałości układu uwarstwionego równolegle,
•
wyznaczenie rozkładu napięcia na poszczególnych dielektrykach układu uwarstwionego
szeregowo.
2. Sposób przeprowadzenia pomiarów
2.1
Warunki atmosferyczne
•
temperatura otoczenia t =..........°C,
•
ciśnienie atmosferyczne b = ..........hPa,
•
wilgotność względna powietrza φ =..........%.
2.2
Układy pomiarowy
Pomiar napięcia przeskoku Up przy odstępach elektrod a = 1, 2, 3, 4, 5 cm
przeprowadzamy dla układu płaskiego powietrznego (bez dielektryka stałego) oraz dla
przypadku uwarstwienia równoległego powietrze dielektryk stały (rys. 1a.). Wyniki pomiarów
zapisujemy w tabeli 2.
TP
Rogr
1
TR
a
V
2
U~
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
a – odstęp między elektrodami płaskimi; 1 – elektroda WN,
2 – materiał izolacyjny
W praktyce spotykane są układy izolacyjne zbudowane z dwu lub więcej materiałów
izolacyjnych. Jeżeli powierzchnia graniczna dielektryków jest prostopadła do linii pola
elektrycznego uwarstwienie takie nazywamy szeregowym (rys. 2).
2
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
WN
3
1
2
ε1
ε2
3
Rys. 2. Uwarstwienie szeregowe dielektryków: 1 i 2 – materiały izolacyjne
o przenikalności dielektrycznej ε1 i ε2, 3 – elektrody
W układzie płaskim dielektryków uwarstwionych szeregowo indukcja elektryczna D
pozostaje jednakowa przy przejściu z dielektryka o przenikalności ε1 do dielektryka
o przenikalności ε2. Stąd strumienie ψ1 i ψ2 przenikające przez oba dielektryki o powierzchniach
s1 i s2 są również jednakowe (1).
ψ 1 = ψ 2 ⇒ s1 D1 = s 2 D2
(1)
Przy założeniu, że s1 = s2 = s zależność (1) przyjmie postać:
s ⋅ ε 1 ⋅ E1 = s ⋅ ε 2 ⋅ E2
(2)
E1 ε 2
=
E2 ε 1
(3)
stąd:
Napięcie U doprowadzone do układu rozkłada się na dwa dielektryki
U = U1 + U 2
(4)
U = E1 ⋅ a1 + E 2 ⋅ a 2
(5)
Dla układu płaskiego można zapisać:
Wstawiając do powyższego wzoru zależność na E2 otrzymane z (3) zależność (5) uzyska
następującą postać:
U = E1 ⋅ a1 + E1 ⋅ a2

a a 
ε1
ε 
= E1  a1 + a2 1  = E1 ⋅ ε 1  1 + 2 
ε2
ε2 

 ε1 ε 2 
(6)
Z powyższego wyrażenia można określić wartość natężenia pola elektrycznego E1 w dielektryku
o przenikalności ε1.
E1 =
U
a
a
ε 1  1 + 2
 ε1 ε 2



(7)
3
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
Postępując analogicznie, można określić natężenia pola E2 w dielektryku o przenikalności ε2 wg
zależności:
E2 =
U
a
a 
ε 2  1 + 2 
 ε1 ε 2 
(8)
Pomiar rozkładu napicia na układzie dielektryków uwarstwionych szeregowo dla napięcia
przemiennego przeprowadzamy dołączając obiekt badany (zacisk wysokonapięciowy) (rys. 2) do
punktu A układu zasilającego (rys. 3).
Rys. 1. Schemat układu probierczego napięcia przemiennego
Rys. 2. Schemat szeregowego uwarstwienia dielektryków: a1…4 – grubości dielektryków,
ε1…3 – przenikalności elektryczne dielektryków, εp – przenikalności elektryczne powietrza,
1, 2, 3 – wyprowadzenia elektrod pomiarowych, Ve – woltomierz elektrostatyczny
Przy zadanej liczbie dielektryków o różnych przenikalnościach dielektrycznych do
wysokonapięciowego zacisku doprowadzamy taką wartość napięcia, która jeszcze nie wywołuje
wyładowań niezupełnych. Do elektrod umieszczonych pomiędzy poszczególnymi dielektrykami
przyłączany jest kilowoltomierz elektrostatyczny przy pomocy, którego określamy spadek
napięcia na poszczególnych dielektrykach. Wyniki pomiaru zamieszczamy w tabeli 2.
4
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
Rozkład napięcia określamy dla trzech dielektryków stałych (między elektrodami
umieszczone są trzy dielektryki o przenikalności ε1, ε2 i ε3, i grubościach a1, a2, a3, a4, które
należy określić) przykładając do elektrod napięcie przemienne o wartości U = 35kV.
Przy tej samej wartości napięcia pomiędzy elektrodę wysokonapięciową a dielektryki
tworzona jest przerwa powietrzna. Odstęp pomiędzy elektrodą a szeregowym uwarstwieniem
dielektryków stałych wynosi a4 = 2cm i 3cm.
Wyniki umieszczamy w tabelach 2, 3, 4.
2.3
Tabele pomiarowe
Tabela 1. Pomiar napięcia przeskoku Up
a
L.p.
cm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Dielektryki
teflon
up
upsr
Up
V
V
kV
szkło organiczne
up
upsr
Up
V
V
kV
powietrze
up
upsr
Up
V
V
kV
1
2
3
4
5
up – napięcie przeskoku zmierzone woltomierzem V;,
upsr – średnia wartość napięcia przeskoku obliczone z zależności:
u psr =
u p1 + u p 2 + u p 3
3
(9)
Up – napięcia przeskoku obliczone z zależności: U p = u psr ⋅ ϑ
ϑ – przekładnia transformatora probierczego.
5
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
Tabela 2. Rozkład napięcia na dielektrykach uwarstwionych szeregowo i odpowiadające
im wartości natężenia pola
Napięcie
Numer
Uv
Upr
ai
dielektryka
V
kV
1
cm
przemienne
εi
-
Upi
Up
Ep
kV
kV
kV/cm
0,85
2
1,2
70
35
3
1,5
4
0
Tabela 3. Rozkład napięcia na dielektrykach uwarstwionych szeregowo i odpowiadające
im wartości natężenia pola
Napięcie
Numer
Uv
Upr
ai
dielektryka
V
kV
1
cm
przemienne
εi
-
Upi
Up
Ep
kV
kV
kV/cm
0,85
2
1,2
70
35
3
1,5
4
3
Tabela 4. Rozkład napięcia na dielektrykach uwarstwionych szeregowo i odpowiadające
im wartości natężenia pola
Napięcie
Numer
Uv
Upr
ai
dielektryka
V
kV
1
cm
przemienne
εi
-
Upi
Up
Ep
kV
kV
kV/cm
0,85
2
1,2
70
35
3
1,5
4
4
6
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
UV, – napięcie odczytane z woltomierza, V;
Upr – obliczone napięcie probiercze, kV;
ai, εi, – odpowiednio grubość, przenikalność dielektryczna
Upi, – zmierzone wartość napięcia w punktach 1, 2, 3 i 4, kV;
Up, – spadek napicia na poszczególnych dielektrykach, kV;
Ep, – obliczone wartości natężenia pola w dielektryku, kV/cm;
Wartość wysokiego napięcia wyznaczamy z zależności:
U p = U Vsr ⋅ ϑ
(10)
gdzie: ϑ – przekładnia transformatora probierczego.
Natężenie pola w każdym z dielektryków wyznaczamy z zależności:
Ei =
Ui
ai
(11)
3. Opracowanie sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
• dane określające warunki atmosferyczne;
• schematy układów pomiarowych;
• tabelę wyników przeprowadzonych pomiarów;
• przykładowe obliczenia;
• wykres (na jednym rysunku) przedstawiający napięcie przeskoku Up w funkcji odległości
Up=f(a) dla układu powietrznego oraz układu powietrze-dielektryk stały (powietrzeszkło organiczne, powietrze-teflon)
• dla układu szeregowego podstawie danych tabel 2, 3, 4 wykonać na jednym rysunku
wykresy przedstawiające zależności rozkładu napięcia i natężenia pola poszczególnych
dielektryków.
• uwagi i wnioski odnośnie warunków i sposobu przeprowadzania badań oraz krytyczną
ocenę otrzymanych wyników.
4. Literatura
1. L. Kacejko, Cz. Karwat, H. Wójcik: Laboratorium techniki wysokich napięć, WPL
Lublin
2. S. Szpor: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa
3. S. Szpor: Ochrona odgromowa, WNT Warszawa
7
Ćw. 18. Wytrzymałość układów uwarstwionych powietrze - dielektryk stały
4. Z. Flisowski: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa
5. Z. Gacek: Technika wysokich napięć, WPŚ Gliwice
6. Z. Gacek: Wysokonapięciowa technika izolacyjna, WPŚ Gliwice
8