ДП Третьяков (1) (1204588), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

5.1 Цикл виртуальных лабораторных работ

К имеющимся работам по электротехническому материаловедению будет представлен перечень работ из двух виртуальных лабораторных испытаний рассчитанный для освоения студентами очного или заочного отделения в течении семестра. Методическое пособие будет содержать следующие работы:

- испытание воздуха на пробой при различной форме электродов;

- исследование электрической прочности твердых диэлектриков и я явлений разряда по поверхности;

5.2 Разработка виртуальной лабораторной работы.

При разработке виртуальной лабораторной работы главной задачей было сделать возможным проведение испытания без доступа к высоковольтной установке не обходимой для проведения опыта в реальных условиях.

В качестве программной среды использовалась визуальная среда Visual Studio 2017 компании Microsoft. Данная визуальная среда является полнофункциональной интегрированной средой разработки для написания приложений для Windows и других известных платформ, а также является бесплатной и находится в открытом доступе. В качестве исходных данных была использована статистика проведения данного испытания в реальных условиях в аудитории 153 кафедры «Системы электроснабжения». Визуальное оформление виртуальной лабораторной работы представлены на плакатах ДП 23.05.05 006 и ДП 23.05.05 007.

В данной работе была воссоздана имитационная модель по реальной схеме испытания представленная на рисунке 5.1:

Рисунок 6.1 – Схема стенда для определения разрядных напряжений воздушных промежутков: 1 – высоковольтный вывод; 2 – электрод; 3 – шестерня; 4 – стойки; 5 – мерная линейка; 6 – источник испытательного напряжения; 7 – пульт управления

К высоковольтному выводу 1 источника испытательного напряжения 6 присоединяется один из электродов 2, изготовленных из нержавеющей стали и закрепленных в стойках 4 из диэлектрического материала; другой электрод заземляется. Расстояние между электродами определяется с помощью мерной линейки 5 и изменяется вращением шестерни 3 посредством изолирующего стержня. Включение и отключение испытательного напряжения, а также регулирование его величины производится с помощью пульта управления 7, установленного снаружи огражденной зоны испытаний.

В качестве источника испытательного напряжения применяется аппарат АИД-70, предназначенный для испытания изоляции выпрямленным электрическим напряжением величиной до 70 кВ, а также синусоидальным напряжением частотой 50 или 60 Гц величиной до 50 кВ.

5.3 Лабораторная работа № 1: Испытание воздуха на пробой при различной форме электродов

Цель работы:

1) исследовать зависимость разрядных напряжений от формы электродов и расстояния между ними;

2) определить влияние полярности на величину разрядного напряжения несимметричных электродов.

Общие сведения

К внешней изоляции установок высокого напряжения относят изоляционные промежутки между электродами (проводами линий, шинами распределительных устройств и т. д.), в которых роль основного диэлектрика выполняет воздух.

Целесообразность использования диэлектрических свойств воздуха в энергетических установках разных классов напряжения объясняется меньшей стоимостью и сравнительной простотой создания изоляции. Но электрическая прочность воздуха при нормальных условиях относительно невелика: при расстояниях между электродами более 1 см она не превосходит 25÷30 кВ/см, т. е. в 10÷30 раз меньше, чем у твердых диэлектриков.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Ударную ионизацию начинают электроны, как более подвижные и имеющие большую длину свободного пробега, чем ионы. Электроны начинают ионизировать молекулы газа при достижении скорости свыше 1000 км/с. При достаточной напряженности электрического поля ударную ионизацию могут производить и ионы. Для завершения пробоя воздуха, проявляющегося внешне в виде искры, проскакивающей между электродами, необходимо, чтобы процесс увеличения количества свободных зарядов в данном искровом промежутке привел к достаточной плотности свободных зарядов. Это достигается благодаря некоторым вторичным явлениям, сопутствующим ударной ионизации, например, вследствие выхода дополнительных свободных электронов из катода под действием фотонов, излучаемых атомами газа, возбудившимися под влиянием соударений с электронами (излучение из начальной лавины). Имеет место также фотоионизация молекул газа [22].

Электрическая прочность газов зависит от их плотности (рисунок 5.2).

В правой части графика рост электрической прочности объясняется уменьшением длины свободного пробега электронов, а в левой части – уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

Второй закономерностью механизма ударной ионизации является зависимость электрической прочности газа от расстояния между электродами (рисунок 6.3).

При малых расстояниях ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10^-5 см. При достаточно больших расстояниях между электродами (от 1 см и выше) влияние расстояния сильно снижается.

Рисунок 5.2. – Зависимость электрической прочности

воздуха от давления

Одновременное влияние на пробой газов плотности р и расстояния между электродами S привело к установлению зависимости пробивного напряжения от произведения этих величин (закон Пашена). Согласно этому закону, для газов существует определенное минимальное пробивное напряжение (для воздуха оно составляет около 300 В).

Рисунок 5.3. – Зависимость электрической прочности

воздуха от расстояния между электродами

в однородном поле

В реальных условиях изоляционные расстояния по воздуху в электрических установках высокого и сверхвысокого напряжения получаются большими, достигая нескольких метров. Размеры же электродов (провода, шины и др.), выбранных по плотности тока, механической прочности и другим критериям, оказываются сравнительно небольшими, и радиусы кривизны их поверхностей составляют не более единиц сантиметров. При таких соотношениях размеров электродов и межэлектродных расстояний электрические поля во внешней изоляции получаются резко неоднородными. В неоднородных полях имеются места с повышенной напряженностью, где и начинается ударная ионизация при сравнительно небольшом напряжении на электродах.

Создание внешней изоляции в таких условиях сильно затрудняется. Во-первых, при резко неоднородных полях во внешней изоляции возможен коронный разряд, сопровождающийся большими потерями энергии в воздушных линиях напряжением 110 кВ и выше. Во-вторых, электрическая прочность воздуха в таких полях значительно ниже. Поэтому с ростом номинального напряжения габариты и стоимость внешней изоляции возрастают настолько, что сооружение установок с внешней изоляцией на напряжение выше некоторого предельного становится экономически нецелесообразным.

Таким образом, увеличения номинального напряжения электроустановок при неизменности их габаритов можно достичь следующими путями:

– уменьшением степени неоднородности электрических полей (увеличение радиуса кривизны поверхностей электродов; применение полупроводящих покрытий);

– увеличением электрической прочности газового промежутка (повышенные и пониженные давления; разделение газового промежутка толщиной S на n соединенных последовательно промежутков толщиной S/n) [22].

Порядок и методика выполнения лабораторной работы

1. Получить зависимость разрядного напряжения от длины разрядного промежутка при напряжении промышленной частоты, изменяя длину разрядного промежутка S (рисунок 5.1) в пределе от 1 до 4 см (4 точки через 1 см) для следующих типов электродов: «плоскость–плоскость», «игла–плоскость», «игла–игла» «шар–шар».

Эксперимент производится в следующем порядке:

а) с помощью контролера «мышь» выберете тип электродов (например, «игла- игла);

б) в появившемся окне выберете расстояние между электродами и нажмите кнопку «Пробой», в окне «Пробивное напряжение Uпр’ кВ» появиться результат измерения;

в) повторите испытание изменяя расстояние между электродами в пределе от 1 до 4 см;

г) повторите испытание с другими типами электродов;

д) полученные значения разрядных напряжений U'_ПР, кВ, приведите к нормальным атмосферным условиям (давление 760 мм рт.ст., температура 20 ⁰С) по формуле

, (5.1)

где U_ПР – разрядное напряжение при нормальных условиях, кВ_max; U'_ПР – разрядное напряжение в условиях опыта, кВ; δ – относительная плотность воздуха, определяемая по формуле

, (5.2)

где p – барометрическое давление в условиях опыта, мм рт.ст.; t – температура воздуха в условиях опыта, ⁰С.

е) далее рассчитайте средние значения разрядных напряженностей, кВ/см, по формуле

, (5.3)

где S – расстояние между электродами, см.

ж) результаты измерений и расчетов необходимо свести в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Результаты измерений и вычислений

з) по результатам измерений для всех исследованных типов электродов постройте графики зависимости разрядных напряжений от расстояния между электродами U_пр=f(S) на одном чертеже, и график зависимости напряженности от расстояния между электродами Е_пр=f(S) – на другом чертеже.

2. Исследуйте влияние полярности при электродах типа «игла–плоскость» и получите зависимость U_пр, Е_пр от длины разрядного промежутка для электродов этого типа при постоянном напряжении, изменяя расстояние между электродами в пределах S = 1÷4 см (4 точки через 1 см).

Эксперимент произведите в соответствии с п. 1 настоящего подраздела. Результаты измерений и вычислений занесите в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Результаты измерений и вычислений

По полученным данным постройте графики U'_пр=f(S) и Е_пр=f(S) на двух чертежах.

Характеристики

Список файлов ВКР