U

niwersytet

T

echnologiczno-

P

rzyrodniczy

w Bydgoszczy

W

ydział

T

elekomunikacji i

E

lektrotechniki

Z

akład

E

lektroenergetyki

Laboratorium Materiałów Elektrotechnicznych

Instrukcja do ćwiczenia

Badanie wytrzymałości elektrycznej papieru

Opracował mgr inż. Sebastian Zakrzewski

Bydgoszcz, 2006 r.

2

1. Wprowadzenie

Napięcie przebicia U

p

jest to najmniejsza wartość skuteczna napięcia

przyłożonego do próbki przy której następuje jej przebicie. Wytrzymałość

dielektryczna materiału E

p

jest to iloraz uzyskanego napięcia przebicia U

p

i grubości d [4].

d

U

E

p

p

=

(1)

Wytrzymałość dielektryczna materiałów izolacyjnych stałych jest

ograniczona przez zjawisko przebicia elektrycznego. Przebicie to jest

wyładowaniem zupełnym, powodującym trwałe zniszczenie materiału

stałego. Powstaje kanał przebicia, którego wytrzymałość dielektryczna

w odróżnieniu od wytrzymałości dielektrycznej oleju izolacyjnego nie

regeneruje się. W materiałach organicznych powstaje zwęglony kanał

o znacznej konduktywności. Niekiedy izolacja (np. ceramiczna) pęka,

zostaje rozbita lub spalona.

Można rozróżnić następujące mechanizmy przebicia [3]:

a) mechanizm elektryczny,

b) mechanizm starzenia,

c) mechanizm cieplny.

O wytrzymałości elektrycznej dielektryka mogą decydować efekty

krawędziowe, które mogą wystąpić na skutek niedokładnego wypełnienia

materiałem stałym przestrzeni między elektrodami. W takim przypadku

przy krawędzi elektrod występuje inny niepożądany materiał (np.

powietrze) o małej przenikalności.

Jeżeli napięcie przyłożone do układu elektrod jest dostatecznie duże

to w powietrzu między elektrodą i materiałem izolacyjnym stałym powstaje

wyładowanie samodzielne. Wyładowania te mogą być uważane za

niezupełne dopóki materiał izolacyjny stały wytrzymuje pełne napięcie.

3

Jednak elektrony pochodzące z wyładowań samodzielnych w powietrzu

mogą przenikać do materiału izolacyjnego stałego i przyśpieszać

elektryczny mechanizm przebicia. Może także występować nagrzewanie

materiału stałego przez wyładowanie niezupełne i wynikający z tego udział

tych wyładowań w cieplnym mechanizmie przebicia. Szkodliwe

oddziaływanie chemiczne produktów wyładowań może też przyśpieszyć

mechanizm starzenia.

Jeżeli dwa (lub więcej) materiały izolacyjne pracują w taki sposób,

ż

e ich powierzchnie graniczne są prostopadłe do linii pola elektrycznego,

to jest to układ warstwowy o szeregowej współpracy dielektryków (rys.

1).

Rys. 1. Uwarstwienie dielektryków prostopadle do linii sił pola elektrycznego:

k, h - elektrody płaskie,
a, b - dielektryki o przenikalności elektrycznej

ε

a

i

ε

b

,

K

a

, K

b

- natężenie pola elektrycznego w dielektrykach a i b.

Natężenie pola elektrycznego K

a

i K

b

z obu stron każdej

powierzchni granicznej jest odwrotnie proporcjonalne do przenikalności

elektrycznej

ε

a

i

ε

b

użytych materiałów:

a

b

b

a

K

K

ε

ε

=

(2)

Z zależności (2) wynika, iż materiał o mniejszej wartości

przenikalności dielektrycznej jest silniej naprężony.

Odpowiednią grubość izolacji często uzyskuje się przez nałożenie

wielu warstw bibułki, ceratki, miki lub innych materiałów, które następnie

nasyca się syciwem, olejeni lub lakierem izolacyjnym. W przypadku, gdy

np. izolacja papierowo-olejowa jest niedostatecznie nasycona olejem, to

4

natężenie pola elektrycznego K

1

w szczelinie powietrznej jest

ε

2r

razy

większe od natężenia pola elektrycznego K

2

w dielektryku stałym:

2

2

1

K

K

r

⋅

=

ε

(3)

gdzie:

ε

2r

-

przenikalność elektryczna względna materiału izolacyjnego

stałego.

Przy często spotykanych wartościach 3 ≤

ε

2r

≤ 8 łatwo powstają

wyładowania samodzielne w szczelinach powietrznych.

2. Przebieg ćwiczenia

2.1. Układ pomiarowy

Rys. 2. Schemat połączeń układu pomiarowego.

Al, A2 - elektrody do badań materiałów warstwowych,
P

- badana próbka,

N

- naczynie napełnione olejem,

KO

- komora wysokiego napięcia,

Tl

- transformator probierczy,

T2

- autotransformator regulujący,

V

- woltomierz,

Rl

- rezystor ograniczający,

R2

- rezystor bocznikujący,

S2

- przekaźnik nadprądowy zabezpieczenia prądowo zwarciowego,

PC

- przełącznik czułości zabezpieczenia,

S1

- stycznik główny,

Sb

- łącznik krańcowy,

Pl, P2 - przyciski załączania i wyłączania układu,
Z

- uziemiacz.

5

2.2. Przygotowanie próbek

Próbki powinny być złożone z m prostokątnych arkuszy (warstw)

papieru o krótszym boku g > 10 cm. Składanie należy wykonać w stanie

zanurzenia tych arkuszy w oleju.

Do badania papieru nie zanurzonego w oleju należy wykorzystać

elektrodę Al (górną) umytą w rozpuszczalniku i dokładnie wysuszoną,

natomiast na elektrodzie A2 należy położyć dodatkową płytkę należącą do

wyposażenia stanowiska.

Za grubość d

a

badanego papieru należy przyjąć średnią arytmetyczną

z pięciu pomiarów grubości papieru wykonanych przy pomocy śruby

mikrometrycznej.

2.3. Sposób wykonania pomiarów

Próbkę izolacji przygotowaną zgodnie z 2.2. umieścić między

elektrodami Al i A2 po czym wyznaczyć napięcie przebicia U

pm

.

W ten

sposób przebadać pięć próbek złożonych z tej samej liczby m arkuszy.

Odczytane z woltomierza V napięcia U

v

(odpowiadające napięciom U

pm

1,

U

pm

2 .....

U

pm

5

)

wpisać w kolumnę 7 tabeli. Pomiary wykonać dla próbek izolacji

złożonych z 1,2 . . . m . . . n arkuszy papieru. Za n należy uznać największą

liczbę arkuszy w próbce przy której jeszcze udaje się uzyskać przebicie

próbki podnosząc napięcie między elektrodami Al i A2 do wartości

30 kV (lub do innej podanej przez prowadzącego ćwiczenie).

Wytrzymałość skrośna próbki może okazać się większa od

wytrzymałości powierzchniowej. W takim przypadku kanał wyładowania

zupełnego rozwija się po powierzchni próbki.

Podczas badania próbek nie zanurzonych w oleju należy za n przyjąć taką

samą liczbę jak dla próbki w oleju. Wartość napięcia probierczego należy

podnosić w sposób ciągły od zera do napięcia przebicia, które powinno

być osiągnięte w czasie 10 do 20 sekund od chwili rozpoczęcia pomiaru.

6

2.4. Sposób obsługi układu pomiarowego

Po umieszczeniu badanej próbki P między elektrodami Al i A2 należy

zamknąć pokrywę KO (co spowoduje zwarcie się styku blokującego Sb),

załączyć wyłącznik W i załączyć stycznik St przez naciśnięcie

przycisku P1. Napięcie probiercze należy zmieniać obracając

pokrętło autotransformatora T2 w sposób podany w p 2.3.

Napięcie U

pm

oblicza się z zależności:

U

p m

=

300

⋅

U

V

(4)

gdzie: U

V

jest wskazaniem woltomierza V odczytanym bezpośrednio

przed wystąpieniem przebicia próbki P.

Przed przystąpieniem do wymiany badanej próbki P między

elektrodami Al i A2, należy bezwzględnie wykonać następujące czynności

przestrzegając niżej podanej kolejności:

sprowadzić pokrętło autotransformatora T2 do zera,

nacisnąć przycisk P2,

otworzyć wyłącznik W,

otworzyć pokrywę komory wysokiego napięcia KO,

rozładować elektrodę Al i A2 przez kilkakrotne dotknięcie

każdej z nich uziemiaczem Z trzymanym za izolowany uchwyt.

2.5. Tabela pomiarów i obliczeń

Badany materiał

L.p.

rodzaj

grubość

Liczba

warstw

m

Grubość

próbki

d

m

Próba: w

oleju (+)

bez oleju (-)

U

V

U

pm

pm

U

pm

E

-

-

mm

-

mm

V

kV

kV

kV

mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

7

2.6. Opracowanie wyników pomiarów

2.6.1. Na podstawie wyników odnotowanych w kolumnie 7 tabeli

i zależności (4) należy obliczyć wartość napięcia przebicia U

pm

po czym

wyznaczyć wartość średnią arytmetyczną U

pm

tego napięcia dla próbek

izolacji o jednakowej liczbie m arkuszy papieru, czyli wyznaczyć:

5

5

1

∑

=

=

k

pm

pm

U

U

(5)

Uzyskane wyniki wpisać w kolumnie 9 tabeli.

2.6.2. Przyjmując upraszczające założenie, że grubość próbki złożonej z

m

arkuszy wynosi:

d

m

=

1.3

⋅

d

a

⋅

m

(6)

gdzie: d

a

- grubość pojedynczego arkusza w mm.

Obliczyć wytrzymałość dielektryczną:

m

pm

pm

d

U

E

=

(7)

próbek złożonych z 1

≤

m

≤

n

arkuszy:

a) zanurzonych w oleju,

b) suchych.

Wyniki obliczeń wpisać w kolumnie 10 tabeli.

2.6.3. Wykreślić zależności

)

(m

f

E

pm

=

oraz

)

(m

f

U

pm

=

dla próbek

badanych w oleju i próbek suchych.

2.6.4. Porównać obliczone w p. 2.6.2. wytrzymałości dielektryczne

z wytrzymałością dielektryczną oleju wykorzystywanego w ćwiczeniu

(przyjmując wytrzymałość oleju E

po

= 7 kV

sk

mm

-1

.

8

Na podstawie porównań poszczególnych przebiegów zależności

napięcia od grubości zastosowanej izolacji należy stwierdzić który rodzaj

układu izolacyjnego (papier, papier-olej, olej) jest najbardziej korzystny ze

względu na napięcie przebicia przy określonej grubości (to jest przy

określonym odstępie między elektrodami A1 i A2). Należy również podać

uwagi, spostrzeżenia i wnioski związane z badanym zjawiskiem, sposobem

wykonywania pomiarów itp.

3. Literatura

[1] Celiński Z. – Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 1998 r.

[2] Szczepański Z. – Wyładowania niezupełne w izolacji urządzeń

elektrycznych. WNT Warszawa 1973r.

[3] Szpor S. – Technika wysokich napięć. WNT Warszawa 1978r.

[4] PN-86/E-04404 – Materiały elektroizolacyjne stałe, Metody pomiaru

wytrzymałości

dielektrycznej

napięciem

o

częstotliwości

przemysłowej.

Słowniczek angielsko-polski:

dielectric

- dielektryk

breakdown voltage

- napięcie przebicia

insulating material

- materiał izolacyjny

discharge

- wyładowanie

electric field intensity

- natężenie pola elektrycznego

meter circuit

- układ pomiarowy

electrode

- elektroda

transformer oil

- olej trancformatorowy