CC BY
10
ИЗВЕСТИЯ
ГОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1966
Том 149
ВОЛЬТСЕКУНДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ
И. И. КАЛЯЦКИИ, А. Г. СИНЕБРЮХрВ
(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института высоких напряжений и кафедры техники высоких напряжений)
Расчет и координация изоляции электрических машин и аппаратов могут быть произведены при наличии данных о поведении изоляции не только при воздействии нормального, или рабочего напряжения, но и возможных перенапряжений, имеющих место при эксплуатации. Поведение изоляции при воздействии волн атмосферных перенапряжений описывается вольтсекундными характеристиками изоляции.
Существует разработанная методика опытного определения вольт-секундных характеристик (для любой формы и полярности волны), базирующаяся на действительных физических процессах, происходящих в разрядах [1]. В основе вольтсекупдной характеристики лежит явление запаздывания электрического разряда.
Общее время от момента подачи импульса напряжения до полного разряда поверхности
^р ~ ¿0 ^ст.з ^ф.р
t0 — время от .начала импульса до напряжения импульса, равного статическому пробивному напряжению; ¿ст.з —время статистического запаздывания разряда, т. е. время выжидания случайных благоприятных обстоятельств для начала разряда; ¿ф.р —время формирования разряда.
Известно, что если увеличивать амплитуду волны, подаваемой па промежуток, то пробой будет происходить при различных значениях напряжения. Диапазон напряжений, в котором относительное число пробоев меньше 100%, называют областью критических напряжений. Если амплитуда волны выше той, которой соответствует 100% пробоев, говорят, что пробой происходит с перенапряжением.
Если в области перенапряжений время запаздывания разряда исчисляется единицами микросекунд и даже долями микросекунд, то !в области критических напряжений время запаздывания разряда исчисляется десятками и даже сотнями микросекунд. В области перенапряжений время статистического запаздывания разряда не превосходит нескольких процентов от общего времени запаздывания t.л, т. е. практически ¿р состоит = ¿0 + ¿ф.р, где ¿0 ----- .Время формирования
£-Ла кг
разряда ¿ф.Р при разряде по поверхности на импульсах зависит от конфигурации поля, материала твердого диэлектрика, состояния поверхности* 146
и параметров импульса. С другой стороны, время необходимое для формирования разряда, складывается из времени развития длины отдельных стримеров, t■ Тр — ¿ф.р = £*_тр. до расстояния между электродами.
В связи с выполняемыми в Томском политехническом институте работами по исследованию свойств и созданию электроизоляционных бетонов была проведена работа по определению вольтсекундных характеристик импульсного поверхностного разряда по бетону [4]. Для сравнения одновременно были проведены опыты по определению вольтсекундных характеристик поверхностного разряда по таким изоляционным материалам, как фторопласт-4 и органическое стекло, учитывая, что в технической литературе отсутствуют данные по вольтсекундным харакеристикам поверхностного разряда этих материалов. При работе по снятию вольтсекундных характеристик поверхностного разряда вышеназванных материалов была использована импульсная испытатель^ ная установка, схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из генератора импульсных напряжений, емкостного делителя напряжений и катодного осциллографа.
АН
о*
р^0
Т птп
на пластины.
О
\лл/ ш/3°
"Г на Запуск
X осциплогржра
Тн
Рис. 1. Электрическая схема испытательной установки.
Генератор импульсных напряжений (ГИН), имея емкость в разряде С =6250 пф, позволял получить регулируемую волну импульсного напряжения с фронтом т ■.-,= 1 15 мксек длительностью до 50 мксек и амплитудой до 50 кв. От ГИНа на электрод (острие), расположенный на поверхности плоского образца, подавались импульсы с амплитудой, до 45 кв. Другой электрод в форме плоскости располагался с противоположной стороны образца и заземлялся.
Для регистрации импульсов напряжения, воздействующих на образец, был использован катодный осциллограф типа ОК-17-М.
Импульсное напряжение подавалось на испытуемый образец, одновременно оно фиксировалось осциллографом, пластины явления которого включались через делитель напряжения емкостного типа. Осциллограф позволял регистрировать явления длительностью до десятых долей микросекунды.
Так как время разряда зависит от амплитуды напряжения, то, изменяя амплитуду напряжения, можно снять вольтсекундную характеристику перекрытия.
Образцы имели форму пластин размерами 50X^0 мм. Для образцов из бетона толщина пластин 6 = 20 мм. Для образцов из фторопласта-4 пластины имели толщину 61 = 3 мм и 62 = 18 мм. Толщина пластин из оргстекла 61 = 1 мм и 62 = 7 мм. Разрядное расстояние в опы-
ю'. ИГ
тах с оргстеклом и фторопластом - 4 устанавливалось равным 20 мм, а в опытах с бетоном— 15 мм. Для того, чтобы исключить из разрядного промежутка толщину образца, заземленный электрод располагался с торцевой стороны, как показано на рис. 2 .
На рис. 3 представлены вольтсекундные характеристики разряда по поверхности оргстекла (кривая 62—7 мм). Для образцов из оргстекла толщиной 1 мм (кривая 1) при времени разряда более 4 мксек напряжение перекрытия, соответствующее минимальному импульсному напряжению перекрытия г/мин. имп , остается практически неизменным и составляет 15,6 кв, что соответствует среднему фиктивному разрядному градиенту 7,8 кв/см. Значительное возрастание напряжения перекрытия наблюдается при времени разряда меньше 4 мксек и для /р=2,5 мксек ир = 31 кв, что соответствует увеличению среднего фиктивного разрядного градиента до 15,5 кв/см.
Для образцов толщиной 7 мм (кривая 2) вольтсекундная характеристика по форме аналогична вольтсекундной характеристике образцов толщиной 1 мм, причем время разряда, соответствующее значительному росту напряжения перекрытия, смещается в область больших времен ¿р<6 мксек, а минимальное .импульсное разрядное напряжение при >6 мксек возрастает.
и,
макс 35
30
15 20
45
10
0 2 4 6 8 Ю 42 I мксек
Рис. 3. Вольтсекундные характеристики импульсного перекрытия оргстекла.
1 — толщина образцов 1 мм, 2 — толщина образцов
7 мм.
Из кривых 1 и 2 (рис. 3) видно, что для образцов 61 = 1 мм значительное возрастание разрядного напряжения происходит в области меньших времен, чем для образцов 62 = 7 мм. Таким образом, с ростом удельной поверхности емкости образца увеличивается скорость 148
1 для 61 = 1 мм, кривая 2 для
Рис. 2. Форма образцов и электродов
при испытаниях. 1 — высоковольтный электрод, 2—заземленный электрод, 3—образец.
развития разряда по поверхности, что находится в согласии с теорией развития разряда по поверхности диэлектрика по Теплеру (2).
На рис. 4 представлены вольтсекундные характеристики разряда по поверхности фторопласта-4 для толщин 61 = 3 мм и 62= 18 мм. Как видно из рис. 4, время разряда, при котором начинается значительный
ир ■
нале
35 30
¿5
20
1Ъ ю
о 2 4 б 8 Ю I „КСеы
Рис. 4. Вольтсекундные .характеристики импульсного
перекрытия фторопласта-4. 1 — толщина образцов 3 мм, 2 — толщина образцов 18 мм.
г & макс ?5
20
/5
Ю 5
О г 6 8 40 I мкееМ
Рис. 5. Вольтсекундные характеристики импульсного перекрытия по чистой сухой поверхности бетона.
I — бетон состава 1/5, 2—бетон состава 1/4, 3 — бетон состава 1/7.
рост разрядного напряжения, составляет Iр <4 мкеек для образцов толщиной 3 мм (кривая 1) и, соответственно, (р<^8 мкеек для образцов толщиной 18 мм. Средний фиктивный разрядный градиент в облает минимального импульсного разрядного напряжения равен при 61=3 мм £эр.ф =7,7 кв/см и при 62=18 мм £ср.ф =10 кв/см.
На рис. 5 приведены вольтсекундные характеристики импульсного перекрытия по чистой сухой поверхности образцов из бетона различно-
го состава. Образцы из бетона имели состав 1/4, 1/5, 1/7, где числитель— число весовых частей цемента, знаменатель — число весовых частей песка.
Как и для образцов из оргстекла и фторопласта-4 для бетонов наблюдается резкое возрастание напряжения перекрытия для времени разряда менее 4 як/сек, В области минимального разрядного импульсного напряжения (при средние фиктивные разрядные градиенты находятся в пределах от 7,5 кв/см до 10,5 кв/'см- в зависимости от состава бетона.
На рис. 6 сопоставлены зависимости диэлектрической проницаемости, удельного поверхностного сопротивления и напряжения перекрытия для времени разряда > 4 мксек от состава бетона, е определялось на <3-метремо^ измерялось методом амперметра и вольтметра.
е и к&макс
(2 Ю9- 30-В Ю9- 20-4 /О9. Ю-
О J О .
1¡3 i/4 1/5 1/6 1/7
tp > 4 мксек
Рис. 6. Зависимость диэлектрической проницаемости, напряжения перекрытия и удельного поверхностного сопротивления от состава бетона.
Как видно из Графика, минимуму в кривой зависимости ps от состава соответствует минимальное значение разрядного напряжения и максимальное значение 8, что согласуется с теорией поверхностного
разряда по Теплеру ¿Ур — -—— [3], где С — удельная поверхностная
V с-
емкость.
Выводы
1. Получены средние фиктивные разрядные градиенты в области минимального импульсного разрядного напряжения и вольтсекундные характеристики импульсного перекрытия в области времени 1,5 -f- 13 микросекунд для бетона различного состава, оргстекла и фторопласта-4 различной толщины. Значение среднего фиктивного разрядного градиента для бетона состава 1/4 = 8,25 кв/см, состава 1/5 £,сР.ф=7,5 кв/см, состава 1/7 £ср.ф = 10,5 kq¡cm, для оргстекла толщиной 1 мм = 7,8 кв/см, толщиной 1 мм £,ср>ф=8,7 кв/см; для фторопласта-4 толщиной 3 мм Еср,ф =^7,7 кв/см, толщиной 18 мм ¿ср.ф =10 кв/см.
2. Опытным путем показана возможность регулирования импульсного разрядного напряжения по бетону изменением состава бетона при неизменной толщине.
3. Установлен сдвиг времени разряда в область малых времен с уменьшением толщины, что необходимо принимать во внимание при работе изоляции в области воздействия волн с крутым фронтом.
ЛИТЕРАТУРА
1.A. С. 3 и н г е р м а н. Построение вольтсекундных характеристик. «Электричество», № 6, 1948.
2. Г. И. С к а н а в и. Физика диэлектриков. Госиздат, 1958
3. А. А. Воробьев. Техника высоких напряжений. Госэнергоиздат, 1945.
4. И. И. К а л я ц к и й, А. Г. С и н е б р ю х о в. Удостоверение о регистрации в Госкомитете по делам изобретений и открытий СССР, № 37702 от 10. 5. 63.
Список принятых обозначений
tр — время от момента подачи импульса напряжения на образец до полного разряда по поверхности. tQ — время от начала импульса (t — 0) до напряжения импульса равного статическому пробивному напряжению, ¿ет-з — время статического запаздывания разряда, ¿ф.р — время формирования разряда, ^макс — амплитуда импульса напряжения, /стр^- время развития длины стриммера.
Срв- емкость генератора импульсных напряжений в разряде. ТФ р — длительность фронта импульса. 6 — толщина образца. ^мин- нмп — минимальное импульсное напряжение перекрытия.
Up—напряжение перекрытия образца при времени разряда. £ср.ф — средний фиктивный разрядный градиент в области минимального разрядного напряжения, е — относительная диэлектрическая проницаемость. Ps— удельное поверхностное сопротивление образца. С -- удельная поверхностная емкость образца.
