4. Badanie wytrzymałości elektrycznej dielektryków

1. Wprowadzenie

Materiałami elektroizolacyjnymi, czyli dielektrykami są materiały praktycznie nie zawierające  swobodnych ładunków. Brak swobodnych ładunków powoduje, że stawiają one bardzo wysoki opór przepływowi prądu elektrycznego. Z pośród tej grupy materiałów największe zastosowanie mają dielektryki stałe.

Na zachowanie się dielektryka w polu elektrycznym wpływają trzy główne czynniki:

• polaryzacja,
• przewodność,
• jonizacja.

W rzeczywistości żaden dielektryk nie jest pozbawiony jakichkolwiek ładunków, gdyż występują w nim jony pochodzące z zanieczyszczeń i defektów budowy oraz oddziaływania wody, związków chemicznych, promieniowania UV i promieniowania γ. Wobec istnienia takich ładunków po umieszczeniu dielektryka w polu elektrycznym ustala się w nim uporządkowany ruch ładunków noszący nazwę prądu upływu. Przy podnoszeniu napięcia przyłożonego do dielektryka, gdy przekroczymy pewną krytyczną wartość następuje zjawisko przebicia dielektryka. Mechanizm tego zjawiska ma swoją przyczynę w jonizacji zderzeniowej, która przy osiągnięciu przez ładunki pewnej granicznej energii ma charakter lawinowy. Następuje gwałtowny wzrost prądu przepływającego przez dielektryk i dochodzi do przebicia. W miejscu przebicia występuje miejscowe zwęglenie.

Wytrzymałość dielektryczna jest wielkością określającą odporność dielektryka na przebicie. Jest to więc krytyczne natężenie pola elektrycznego, przy którym występuje przebicie dielektryka.

[latex]K_p=\frac{U_{kr}}{d}\ \left [ \frac{kV}{mm} \right ],[/latex]

U_kr – napięcie przebicia,

d – grubość materiału.

Wytrzymałość dielektryczna zależy od:

• rodzaju i struktury dielektryka,
• temperatury,
• grubości dielektryka,
• rodzaju napięcia,
• kształtu elektrod.

Najwyższą wytrzymałość wykazują materiały o gęstej strukturze, nie zabrudzone i nie zawilgocone.

Wyniki badania wytrzymałości dielektrycznej zalezą od:

• sposobu podwyższania napięcia,
• rodzaju napięcia,
• rodzaju elektrod,
• rodzaju próbek,
• otaczającego środowiska.

W zależności od sposobu podwyższania napięcia wyróżnia się wytrzymałość dielektryczną doraźną i wytrzymałość dielektryczna stopniowaną.

Wytrzymałość dielektryczna doraźna określana jest przy równomiernym podnoszeniu napięcia od zera, aż do przebicia w czasie 10-20 s.

Wytrzymałość dielektryczna stopniowana określana jest przy podnoszeniu napięcia od wartości początkowej do napięcia przebicia stopniowo, co 20 s lub 1 minutę. Wartość początkowa wynosi 50% doraźnego napięcia przebicia.

Oprócz badania wytrzymałości wykonuje się próbę napięciową danego materiału. Polega ona na sprawdzeniu czy dana próbka materiału wytrzymuje w ciągu określonego czasu, bez przebicia określone napięcie probiercze. W badaniach tych stosuje się napięcie stałe, przemienne lub udarowe. Układy pomiarowe do badania wytrzymałości dielektrycznej napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz mają jako źródło zasilania transformatory probiercze w układzie symetrycznym (z uziemionym środkiem uzwojenia WN) lub niesymetrycznym. Przy pomiarach napięciem stałym stosuje się prostowniki wysokonapięciowe z kondensatorami wygładzającymi. Źródłem napięć udarowych jest generator udarów, umożliwiający regulację amplitudy napięcia oraz kształtu udaru i jego biegunowości.

2. Program badań

Celem badań jest:

a) wyznaczenie wytrzymałości dielektrycznej doraźnej następujących materiałów:

• papieru kablowego suchego,
• bibułki kondensatorowej nasączonej olejem,

b) wyznaczenie wytrzymałości dielektrycznej stopniowanej 20 s i 1 minutowej dla jednego z powyższych materiałów,

Wyznaczenie wytrzymałości dielektrycznej polegać będzie na umieszczeniu próbki pomiędzy elektrodami i przyłożeniu do nich narastającego napięcia sinusoidalnego f = 50 Hz aż do przebicia elektrycznego.

Wielkościami mierzonymi są:

• grubość próbki d [mm],
• napięcie przebicia U_p [kV].

Badania wykonuje się w wysokonapięciowym polu probierczym, osłoniętym siatką i dostępnym tylko przy wyłączonym napięciu. Autotransformator regulacyjny, przełączniki oraz przyrządy pomiarowe umieszczone są poza polem probierczym i znajdują się na poziomie napięcia 230 V.

Transformator probierczy TP60 wytwarza wysokie napięcie przyłożone do próbki. Regulacja tego napięcia odbywa się poprzez regulację napięcia pierwotnego TP60 przez autotransformator AT w zakresie 0-230 V. Moc transformatora TP60 jest tak dobrana, aby po przebiciu prąd ograniczony rezystorem R_Z był na poziomie 40 mA. Pomiaru napięcia dokonujemy za pomocą woltomierza włączonego po stronie pierwotnej transformatora. Napięcie przebicia obliczamy mnożąc napięcie odczytane z woltomierza przez przekładnię transformatora.

Do badania cienkich papierów, zamiast transformatora TP60 używa się także transformatora o napięciu wtórnym 10 kV.

Pulpit sterowniczy jest zabezpieczony przed przeciążeniami wyłącznikiem ograniczającym prąd po wystąpieniu przebicia, jednak ze względów bezpieczeństwa należy być gotowym do wyłączenia napięcia wyłącznikiem W2.

Próbki umieszcza się u układzie elektrod przedstawionym na rysunku. Elektrody wykonane z mosiądzu osadzone są w bloku izolacyjnym. Schemat układu do badań wytrzymałości dielektrycznej przedstawiono na rysunku poniżej.

W celu dokonania pomiarów przy takim samym docisku i naciągu próbki wykorzystujemy układ pięciu elektrod rozmieszczonych liniowo. Powierzchnie elektrod muszą być gładkie, wypolerowane i oczyszczone z osadów po poprzednich wyładowaniach. Dolne elektrody są uziemione, a do górnych doprowadzamy napięcie probiercze. Przekrój poprzeczny przez układ elektrod do badania pasków dielektryków przedstawia rysunek poniżej.

Próbkami są taśmy o wymiarach (300×25) mm. Na początku należy zmierzyć grubość próbki za pomocą mikrometru w trzech różnych miejscach. Następnie umieścić próbkę w układzie elektrod, zamknąć drzwi pola WN, sprawdzić działanie blokady i rozpocząć pomiary zwiększając napięcie aż do przebicia. Po wystąpieniu przebicia należy wyłączyć wysokie napięcie.

Każdorazowo przy wejściu na pole WN należy zawiesić drążek uziemiający na szynie wysokiego napięcia!

Przy pomiarze wytrzymałości doraźnej napięcie zwiększamy ze stałą szybkością od zera do wartości przebicia. Przebicie powinno być osiągnięte w czasie maksimum 30 s. Po wykonaniu pięciu pomiarów próbkę należy obejrzeć i odrzucić te wyniki, w których przebicie nastąpiło po powierzchni dielektryka. Przy pomiarze wytrzymałości 1 minutowej napięcie podnosi w ciągu 10 sekund od zera do wartości początkowej wybranej z szeregu napięć znormalizowanych. Jako napięcie początkowe wybieramy z szeregu napięcie najbliższe 50% napięcia wytrzymałości doraźnej. Następnie zwiększamy napięcie do następnej wartości z szeregu i utrzymujemy przez 1 minutę. Podnoszenie napięcia powtarzamy aż do przebicia próbki. Szereg napięć znormalizowanych znajduje się przy pulpicie sterowniczym.

3. Opracowanie wyników

 Wyniki pomiarów należy umieścić w tabeli pomiarowej przedstawionej poniżej. Jako grubość d przyjmujemy wartość średnią z trzech pomiarów. Wytrzymałość dielektryczną określamy jako średnią arytmetyczną z pięciu pomiarów.

[latex]K = \frac{1}{5}\cdot \sum_{i=1}^{5}\frac{U_{pi}}{d}\ \left [ \frac{kV}{mm} \right ],[/latex]

U_pi – kolejne wartości napięcia przebicia,

d – średnia grubość próbki.