Studia dzienne - semestr III

Laboratorium Inżynierii MateriałóΩw Elektrotechnicznych

r

Ćwiczenie nr 1

Temat: Badanie rezystywności skrośnej i powierzchniowej wybranych dielektryków stałych.

1. Zakres badań:

• sprawdzenie napięcia przebicia dielektryków przy rożnych układach elektrod (efekty
  krawędziowe),

• badanie wyładowań ślizgowych dla różnych wymiarów próbek,

• wpływ zanieczyszczeń powierzchni na wytrzymałość elektryczną dielektryków
  (izolatorów).

2. Wstęp do ćwiczeń.

W dielektryku, w którym nie ma swobodnych elektronów nie występuje przewodzenie elektronowe jak w metalach. Przewodzenie w materiałach izolacyjnych jest więc zawsze związane z ruchem jonów. Jest ono zależne od liczby jonów w jednostce objętości, ich ruchliwości oraz od struktury materiału. Wielkości te są z kolei zależne od warunków zewnętrznych Jak: natężenie pola elektrycznego, czynników dysocjujących (temperatura, woda, promieniowanie jonizujące), czasu oddziaływania pola elektrycznego, ilości i rodzaju zanieczyszczeń.

Drogi przepływu przez dielektryk: 1- dielektryk, 2- prąd skrośny, 3- prąd powierzchniowy

Pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia ładunki te tworzą bardzo niewielki prąd zwany prądem upływu. Przepływ tego prądu w przypadku dielektryków stałych, odbywa się dwiema drogami: na wskroś dielektryka, tworząc prąd skrośny, płynący przez dielektryk oraz po powierzchni dielektryka, tworząc prąd powierzchniowy.

Rozróżnia się więc dwa odrębne pojęcia : rezystywności skrośnej p_s i rezystywności powierzchniowej p_p.

Rezystywność skrośna dielektryka maleje ze wzrostem temperatury w wyniku zwiększenia jonizacji. Szczególnie silny wpływ obserwuje się w cząstkach z wiązaniami jonowymi. Przykładem może służyć szkło sodowe, którego REZYSTYWNOŚĆ skrośna w temp. 20°C jest rzędu 10¹⁰Ω*m, natomiast w temp. 200°C maleje o pięć rzędów wielkości. Rezystywność skrośna dielektryków ciekłych oraz dielektryków stałych zależy silnie od stopnia zanieczyszczenia i zawilgocenia. Zanieczyszczenia tworzą dodatkowe źródło swobodnych jonów.

Rezystywność skrośna wyrażana jest w Ω * m, określa właściwości przewodzące wnętrza dielektryka.

Rezystywność powierzchniowa, odnosząca się tylko do dielektryków stałych, zależy bardzo silnie od ich budowy oraz od stopnia zanieczyszczenia i zawilgocenia ich powierzchni. Największe wartości rezystywności powierzchniowej charakteryzują dielektryki, których powierzchnie nie ulegają zwilżeniu (np. parafina o wartości p_p rzędu 10¹⁶Ω), a najmniej dielektryki, które rozpuszczają się częściowo w wodzie (np. szkło sodowe, p_p rzędu10⁸ Ω).

Natomiast rezystywność powierzchniowa wyrażana w Ω określa rezystancję kwadratu powierzchni dielektryka o boku 1 cm.

Wyładowania powierzchniowe są jedną z form wyładowań niezupełnych. Zależnie od rodzaju dielektryka stałego i stanu jego powierzchni można wyróżnić cztery formy wyładowań powierzchniowych: wyładowania świetlące, wyładowania ślizgowe, wyładowania zabrudzeniowe, wyładowania pełzne.

Przedstawiany podział ma charakter umowny, można spotkać także inne nazewnictwo czy klasyfikację. Niezależnie od podziału zasadnicze znaczenie w powstawaniu i rozwoju tych wyładowań ma składowa normalna natężenia pola, występująca na granicy dwóch dielektryków.

Wyładowania ślizgowe stanowią jedną z form wyładowań powierzchniowych. Wyładowania te powstają głównie przy napięciu przemiennym. Początkowo maja postać wyładowań świetlących, podtrzymywanych przez powstający ładunek przestrzenny. Występują w układach o dużej nierównomierności pola elektrycznego i i w układach z szeregowo-równoległym uwarstwieniem dielektryka stałego z dielektrykiem gazowym lub ciekłym. Technicznymi przykładami takich układów mogą być izolatory przepustowe, wysokonapięciowe głowice kablowe.

Wytrzymałość elektryczna układów uwarstwionych ukośnie.

Klasycznym przykładem układu uwarstwionego ukośnie jest izolator przepustowy. Rozkład napięć w takim układzie izolacyjnym zależy przede wszystkim od pojemności powierzchniowej i pojemności dielektryka umieszczonego między elektrodami. Schemat zastępczy fragmentu układu izolacyjnego typu przepustowego, w którym występują wyładowania ślizgowe przedstawiono poniżej.

Schemat zastępczy fragmentu układu izolacyjnego, typu przepustowego. 1 - elektroda uziemiona, 2 - elektroda wysokonapięciowa. 3 - dielektryk sta­ły. Co - pojemność skrośna odniesiona do jednostki powierzchni. C_pu - je­dnostkowa pojemność wzdłużna. R_po -jednostkowa rezystancja powierzchniowa

Wyładowania mogą występować w otoczeniu elektrody uziemionej 1, kiedy napięcie między elektrodami 1 i 2 zmienia się znacznie szybciej niż napięcie na pojemnościach skrośnych C₀ . Pojemności te są ładowane przez rezystancje powierzchniowe R_po , ze stałą czasową R_po* C_o . Na pojemnościach wzdłużnych C_p0 pojawiają się wtedy spadki napięcia, które mogą być wystarczające do wywołania jonizacji wokół elektrody ostrzowej, a następnie wyładowań świetlących.

Duże znaczenie w dalszym rozwoju wyładowania odgrywa ładunek przestrzenny, powstający w wyniku jonizacji elektronowej bodźczej. Odkształca on jeszcze bardziej rozkład natężenia pola i podtrzymuje rozpoczęte wyładowanie. Wraz ze wzrostem napięcia zasilającego układ, wyładowanie świetlące przekształca się w iskrę ślizgową. Iskra ślizgowa występująca po powierzchni dielektryka stałego jest znacznie bardziej intensywna i rozgałęziona. Poglądowy przebieg tego zjawiska przedstawiono poniżej.

Schematyczne przedstawienie kolejnych form wyładowania ślizgowego w układzie izolacyjnym typu przepustowego

Wysokie natężenie pola elektrycznego istniejące na końcu iskier ślizgowych sprzyja wydłużeniu się iskier, co może doprowadzić do przeskoku w układzie izolacyjnym. Iskry ślizgowe oddziałują termicznie na dielektryki stałe. Na powierzchniach dielektryków organicznych zostawiają ścieżki o podwyższonej przewodności. Iskry ślizgowe mogą obniżyć napięcie przeskoku układu izolacyjnego nawet poniżej wartości uzyskiwanych w odpowiadających im układach ostrzowych.

Wytrzymałość elektryczna układów uwarstwionych równolegle.

W układzie uwarstwionym równolegle natężenie pola po obu stronach powierzchni granicznych w każdym z dielektryków jest takie samo. Przy jednakowych natężeniach pola w obu dielektrykach przeskok nastąpi w dielektryku o niższej wytrzymałości. Dla typowego przypadku kiedy jednym z dielektryków jest powietrze a drugim jest dielektryk ciekły lub stały, przeskok nastąpi w powietrzu.

Przykładem układu o równomiernym uwarstwieniu dielektryków jest izolator wsporczy. Można przyjąć że przy czystej i suchej powierzchni charakter wyładowań w układzie uwarstwionym równolegle jest zbliżony do przebiegu wyładowań w powietrzu. Kiedy powierzchnia dielektryka stałego jest brudna i zawilgocona, mechanizm przeskoku w układzie typu wsporczego jest bardzo zbliżony do mechanizmu przeskoku w układzie przepustowym.

Sposoby ograniczania wyładowań ślizgowych.

Istnieją trzy podstawowe sposoby ochrony przed wyładowaniami ślizgowymi:

Rys. 6.6. Schemat układów izolacyjnych typu przepustowego ze sterowaniem pojemno­ściowym (a) i sterowaniem rezystancyjnym. 1. 2 - elektrody. 3 - dielektryk stały. 4 - ekrany sterujące. 5 - powłoka półprzewodząca o zmiennej rezystan­cji

1. podwyższenie napięcia początkowego wyładowań - można osiągnąć poprzez
   zwiększenie grubości dielektryka stałego, po którym występują wyładowania
   ślizgowe.

2. zmiana rozkładu natężenia pola elektrycznego w obszarze występowania wyładowań
   przez zastosowanie pokryć przewodzących (pokrycie powierzchni dielektryka stałego
   lakierem półprzewodzącym). Powoduje on równomierny rozkład pola wskutek
   odpowiedniego zmniejszenia rezystancji.

3. zastosowanie ekranów w dielektryku stałym - najskuteczniejszy sposób, polega na
   wysterowaniu pola elektrycznego w taki sposób by był jak najbardziej równomierne.
   Sterowanie to może być realizowane pojemnościowo lub rezystancyjnie.

Układ pomiarowy (schemat transformatora probierczego).

Stanowisko probiercze w omawianym ćwiczeniu wyposażone jest w transformator WPT

4,4/100.

Pomiar napięcia przemiennego odbywa się za pomocą urządzenia do pomiaru wartości

szczytowej typu WMU 6, które zostaje połączone z odczepami pomiarowymi

transformatora probierczego.

Przyrząd wskazujący napięcie wyposażony jest w przekaźnik z opadającym kabłąkiem, co

umożliwia „zapamiętanie" wartości pomiarowej występującej w chwili przebicia lub

przeskoku.

4. Przebieg ćwiczenia.

4.1 pomiar napięcia przebicia dla dielektryków ( ) o różnych grubościach

(wyładowania skrośne):

2. pomiar napięcia przeskoku dla izolatora przepustowego (wyznaczenie napięcia
   świetlenia, iskier ślizgowych i napięcia przeskoku)

3. pomiar napięcia przeskoku dla izolatora wsporczego (wyznaczenie napięcia świetlenia
   i napięcia przeskoku)

4. pomiar napięcia przeskoku dla płytek dielektrycznych dielektryków przy rożnych
   układach elektrod (wyznaczenie napięcia świetlenia i napięcia przeskoku)

5. Wnioski.

Źródło:

Zbigniew Gacek - „Technika wysokich napięć"

Jerzy Skubis - „Wybrane zagadnienia z techniki i diagnostyki wysokonapięciowej"

Politechnika Poznańska - „Ćwiczenia laboratoryjne z techniki wysokich napięć"

Zdzisław Celiński - „Materiałoznawstwo elektrotechniczne"

Jerzy Skubis - „Laboratorium techniki wysokich napięć"

---