Реферат: Предисловие Курс «Электротехническое материаловедение»

Предисловие


Курс «Электротехническое материаловедение» относится к общеинженерным дисциплинам по электроэнергетическим специальностям.


Целью изучения дисциплины является формирование знаний принципов использования электротехнических материалов в устройствах электротехники и электроэнергетики.

Задачами изучения курса являются: усвоение классификации современных ЭТМ; изучения взаимосвязи между электротехническими характеристиками материалов с их структурой и процессами, происходящими в ЭТМ под влиянием электромагнитного поля в ходе эксплуатации при воздействии таких внешних факторов, как высокие и низкие температуры, высокая влажность, механические нагрузки, агрессивные среды, ионизирующее изучение и другие; изучение рационального технико-экономического выбора электроматериалов.

В результате изучения дисциплины студент приобретает умение ориентироваться в многообразии материалов, пользоваться справочной и специальной литературой в области ЭТМ, а в лаборатории – первичные навыки экспериментального определения основных характеристик электроматериалов распространенными методами.

Изучение дисциплины базируется на знании студента физики, химии, инженерной графики, высшей математики, механики, технологии электротехнических материалов (металлов), электротехники.

Сведения о свойствах ЭТМ окажутся весьма полезными при изучении всех дисциплин электротехнического характера, а также при изучении вопросов экономики электроэнергетики.

Будущий специалист должен иметь знания о перспективных направлениях совершенствования структуры и свойств материалов и способов их обработки. А также он должен уметь правильно оценить надежность, экономичность и экологическую целесообразность их выбора при разработки новой электротехнической аппаратуры, предназначенной для различных условий эксплуатации, включая использование новых перспективных материалов.


Введение


В настоящее время в нашей стране происходит увеличение мощностей электростанций и на базе этого широкая электрификация всех отраслей промышленности и сельского хозяйства. Развитие энергетики невозможно без применения новых, более совершенных электротехнических материалов, отвечающих требованиям все повышающихся рабочих напряжений, включая использование новых перспективных материалов.

Правильный выбор электротехнических материалов для каждого конкретного случая не может быть произведен без знания его свойств, подтвержденных опытом. Поэтому изучению теоретического курса сопутствует работа в лаборатории. Работая в лаборатории, студент знакомится с аппаратурой и установками, применяемыми при исследовании электротехнических материалов, а также приобретает навыки научно- исследовательской работы.

ЛИТЕРАТУРА
О.С. Сироткин «Введение в материаловедение. Начала общего материаловедения». Казань: КГЭУ 2004 г., 212 с.



^ ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ


Выполнение каждой лабораторной работы складывается из следующих этапов:

1. Самостоятельная подготовка студентов к работе. Перед началом работы необходимо четко представить себе цель работы, знать схему установки, метод измерения, физическую сущность ожидаемых результатов. Должен быть предоставлен протокол измерений, содержащий таблицы для записи результатов измерений и основные расчетные формулы. Студенты, не подготовившиеся к работе в соответствии с этими требованиями, к выполнению работы не допускаются.

2. Проведение эксперимента. Этот этап осуществляется в соответствии с методическими указаниями, содержащимися в каждой работе. Включать схему можно только после собеседования с преподавателем, получив соответствующее разрешение. Любые изменения в схеме производятся только при отключении схемы от источника напряжения.

3. Отчет о проделанной работе оформляется на формате и должен содержать:

а) цель работы;

б) схему установки, основные технические характеристики приборов и описание методики измерения, а также расчетные формулы, используемые в работе;

в) числовой материал эксперимента и вычислений, сведенный в таблицы;

г) графики, построенные на основании числового материала эксперимента;


д) общие выводы о работе и заключение о качестве исследованных материалов.

Каждый график должен сопровождаться теоретическим обоснованием причин, влияющих на ход его построения, для чего в процессе составления отчета студент обязан по литературным источникам детально ознакомиться с материалом, который был объектом его исследования и лаборатории.

4. Защита лабораторной работы происходит с предоставлением отчета. При ответе на контрольные вопросы студенты должны показать понимание сущности физических явлений в исследованных материалах, объяснить полученные результаты и сделать вывод.


^ ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ


При выполнении работы в лаборатории «ЭТМ» студенты обязаны помнить о возможном поражении электрическим током и необходимости соблюдения правил техники безопасности.


ЗАПРЕЩАЕТСЯ:


1. Прикасаться открытым токоведущим частям схем, приборов и распределительных щитов.

2. Производить какие-либо изменения в схеме находящейся под напряжением.

3. Включать схему под напряжением без разрешения преподавателя и без предупреждения всех работающих на данной установке.

4. Выполнять лабораторные работы без надзора сотрудников лаборатории.

5. Оставлять без наблюдения, включенные под напряжения лабораторные установки.

Без ознакомления с правилами техники безопасности студенты к выполнению лабораторных работ не допускаются. Обязательно выполнять требования этой инструкции фиксируются в контрольном листе по технике безопасности.


Примечание. В лаборатории должно находиться не более 12 студентов на одного преподавателя.


_______________________________


^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩИХ И УДЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ


Цель работы


Изучение физических основ электропроводности диэлектриков и методики измерения удельных объемного рv и поверхностного рs сопротивлений диэлектриков; экспериментальное определение р и р диэлектриков; исследование влияния различных факторов на проводимость диэлектриков.


^ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ


Через диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле, протекает электрический ток, ток, который складывается из двух составляющих: тока поляризации и тока утечки, или тока сквозной проводимости.

Токи поляризации вызваны упругим смещением связанных зарядов в процессе поляризации. При постоянном напряжении эти токи протекают в короткие промежутки времени в момент включения и выключения напряжения и затем постепенно затухают. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов не превышает долей секунд, но в некоторых случаях достигает десятков секунд и дольше, что наблюдается при замедленных видах поляризации. Токи, связанные с замедленными видами поляризации, называют токами абсорбции. С ними приходиться считаться при определении сопротивления диэлектриков.

Токи сквозной проводимости обусловлены наличием в диэлектрике свободных зарядов. Ток сквозной проводимости протекает через диэлектрик все время, пока он находится под напряжением, и по величине этого тока определяется сопротивление диэлектрика.

Обозначив сопротивление изоляции через Rиз можно написать




где U - приложенное напряжение;

i- наблюдаемый ток;

iабс- ток абсорбции;

Токи абсорбции обычно учесть трудно, поэтому принято измерять ток iмин через минуту после включенияобразца под напряжением, а сопротивление рассчитывать по формуле:





Для сравнительной оценки различных материалов применительно к цепи постоянного тока используют величину их удельного сопротивления. Для твердых диэлектриков различают два удельных сопротивления: объемное и поверхностное.

Удельное объемное сопротивление pv(в системе СГС) численно равно сопротивлению куба с ребром 1 см (в системе Си-1 м), если ток проходит через две противоположные грани этого куба.

Выражается удельное объемное сопротивление в Ом*см. В системе Си pvопределяется для куба с ребром 1 м и выражается в Ом*м. Удельное поверхностное сопротивление ps численно равно сопротивлению квадрата по поверхности диэлектрика со стороной 1 см и измеряется в Ом. pvи ps характеризуют два различных свойства диэлектрика: проводить электрический ток через толщу или по поверхности диэлектрика. Для полной характеристики изоляционного материала нужно знать его объемное и поверхностное сопротивления.

Для определения объемного сопротивления применяется схема, приведенная на рис.1, из которой видно, что в результате разности потенциалов между электродами А и В через образец потечет ток, величина которого будет измерена гальванометром.





Зная величину приложенного напряжения и величину тока, проходящего через образец, можно найти объемное сопротивление образца диэлектрика , Rv , Ом:




Величина Rv зависит как от качества диэлектрика, так и от геометрических размеров образца.

, отсюда

где d – толщина диэлектрика, м;

S – площадь электрода, м2.

При измерении объемного сопротивления весьма существенное значение имеет заземление охранного кольца – электрода Б. При незаземленном кольце на электрод А попадает не только ток, протекающий в объеме диэлектрика через расчетное сечение S, но и ток iповр протекающий по поверхности диэлектрика, а также ток Iv1, протекающий по объему диэлектрика, минуя сечение S.

Поверхностный ток вызывается чаще всего свободными ионами тез загрязнений, которые могут быть на поверхности материала. Для измерения поверхностного сопротивления электроды на испытываемом образце должны быть расположены так, чтобы электрическое поле вызывало движение свободных ионов в тонком поверхностном слое диэлектрика.

Для определения поверхностного сопротивления применяется схема, приведенная на рия.2, из которой видно, что вследствие разности потенциалов между электродами А и Б по поверхности диэлектрика между этими электродами будет протекать ток, величина которого измеряется гальванометром.

Зная диаметр D электрода А и внутренний диаметр D1 кольцевого электропровода Б (рис.2), можно вычислить величину удельного поверхностного сопротивления по формуле:



Длина пути утечки тока по поверхности диэлектрика равна ширине зазора между электродами, т.е.



Условное сечение S1 равно длине средней окружности диаметром

.







Так как поверхность загрязнить легче, чем толщу материала, то обычно ps численно хотя бы на один порядок ниже, чем pv . (pv≥ ps).

Объемное сопротивление диэлектриков Rv зависит от температуры и величины приложенного напряжения, а для гигроскопичных диэлектриков – и от влажности и времени приложенного напряжения.

С повышением температуры удельное объемное сопротивление твердых и жидких диэлектриков, как правило, снижается.

Объяснение уменьшения сопротивления твердых и жидких диэлектриков при их нагреве следует искать в ослаблении связей и росте подвижности молекул и ионов вещества.

В сильных электрических полях с увеличением приложенного напряжения сопротивление диэлектриков уменьшается, что следует объяснить вырыванием электронов силами электрического поля из объема диэлектрика и материала электродов, что и создает в диэлектрике дополнительную электропроводность электронного характера. Снижение же сопротивления с ростом напряжения в сравнительно слабых полях объясняется образованием в диэлектрике объемных зарядов, перераспределением влаги в порах диэлектрика, влиянием контактов с электродами и другими причинами.

Сопротивление диэлектриков зависит также от времени приложения напряжения. Длительность приложения напряжения влечет за собой снижение величины его сопротивления, что следует объяснить постепенным развитием в его объеме путей наименьшего электрического сопротивления и образования объемных зарядов – происходит старение диэлектрика.

На величину поверхностного сопротивления твердых диэлектриков особенно сильное влияние оказывает состояние их поверхности и способность к адсорбированию на ней влаги, что связано со строением диэлектрика. Как правило, диэлектрики нейтрального строения (парафины, полистирол и др.) слабо адсорбируют влагу (не смачиваются), в связи с чем их удельное поверхностное сопротивление численно бывает почти равным удельному объемному сопротивлению.

Если поверхность диэлектриков шероховатая, то , в связи с удержанием пыли, осевшей из воздуха, или других случайно попавших частиц, поверхностное сопротивление диэлектриков будет значительно снижена.

В целях увеличения поверхностного сопротивления твердых диэлектриков, особенно при работе на открытом воздухе, их поверхность обычно шлифуется, лакируется, покрывается глазурью и пр.


^ Описание лабораторной установки

Установка (рис.3) состоит из источника питания ВС-23, баллистического со световым указателем гальванометра М197(Г), шунта к гальванометру (Ш).

Для ограничения тока в цепи гальванометра в случае пробоя испытуемого образца или случайного замыкания электродов применено водяное сопротивление RB.

С целью охраны работающего от воздействия высокого напряжения применено блокировочное устройство.





^ Подготовка к проведению исследований


При подготовке к работе следует изучить теоретический материал, изучить лабораторную установку, записать технические характеристики приборов, применяемых в работе. После собеседования с преподавателем можно приступить к выполнению работы.


^ Проведение исследований


1. Измерение удельного объемного и удельного поверхностного сопротивления диэлектриков.

Сопротивление образца диэлектрика измеряется методом непосредственного отсчета, который к определению тока протекающего через образец, при подведении к нему известного напряжения U. Ток, протекающий через образец, определяется по формуле:



где α – число деления шкалы гальванометра, на которое отклонился «зайчик» на шкале гальванометра спустя 1 мин. после подачи на образец напряжения;

C – динамическая постоянная гальванометра (7,2-10-9 А/дел.–М197);

n – дробное шунтовое число, указывающее, какая часть от полного тока прошла через гальванометр;

I – ток, А.

Тогда искомая величина сопротивления образца



Измерение Rx образца производится в следующем порядке:

а) подключить образец к зажимам согласно схеме рис.1 при определении pv и рис.2 при определении px;

б) включить сеть 220В, при этом должна загореться зеленая сигнальная лампочка. Через 2-3 минуты включить тумблер «Выс.напр.», при этом должна загореться красная сигнальная лампочка, а вольтметры – показать напряжение. Соответствующей ручкой регулировки выходных напряжений установить необходимое напряжение;

в) записать установившееся отклонение светового пятна гальванометра α1, напряжение U в В. Принято замер тока делать через минуту после включения образца под напряжение;

г) замерить геометрические размеры образца: толщину образца d, диаметр электрода D (меньшего) при определении pv, внутренний диаметр кольцевого электрода D1 и диаметр меньшего электрода D при определении ps;

д) рассчитать Rx, pvи ps , используя формулы (3),(4),(6).

2. Исследование зависимости Rv образцов диэлектриков от величины приложенного напряжения.

Измерения производить через каждые 1кВ. Результаты измерений и расчета свести в таблицу.

3. Исследование зависимости Rv образцов диэлектриков от времени приложения напряжения.

Зависимость снимается в интервале времени от 0 до 15 мин. Результаты измерений и расчета свести в таблицу.

Таблица 1

Наименование материала

Результаты измерений

Результаты расчета

d, см

D, см

U, кВ

α,дел

n1, µкА

Rv, Ом

pv,Ом*м

p – Вт/м3

1. Текстолит

0,2

5



















2. Паронит

0,1

5





















Таблица 2

Наименование материала

Результаты измерений

Результаты расчета

D1, см

D, см

U, кВ

α,дел

n1, µкА

Rs, Ом

ps,Ом


1. Текстолит

7

5
















2. Паронит

7

5



















Через какой промежуток времени после включения образца под напряжение принято производить измерения на гальванометре и почему?

Как скажется на результатах вычисления pv и ps отсутствие охранного кольца на исследуемом образце?

Как и почему измеряется сопротивление диэлектрика при повышении приложенного к нему напряжения pv = ƒ(U) и ps = ƒ(U)?

Как измеряется и в каких единицах измеряется pv = ƒ(τ) при U=const?

Как определить удельные потери мощности при постоянном напряжении p_= ƒ(U)?


ЛИТЕРАТУРА

Тареев Б.М., Казарновский Д.М. Испытания электроизоляционных материалов. М.: Госэнергоиздат, 1985.

Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.: Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1977.

Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергоатомиздат, 1987. Т.2, стр. 355-367.

С.Н. Колесов, И.С. Колесов “Материаловедение и технология конструктивных материалов”. 2004г.: М: “Высшая школа”



__________________________________________


^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕСА УГЛА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ПРИ НИЗКИХ ЧАСТОТАХ


^ ЦЕЛЬ РАБОТЫ


Изучение явления поляризации в диэлектриках, практическое ознакомление с высоковольтным мостом Р 525 и особенностями измерения  и tg  образцов различных диэлектриков.

Основные теоретические положения


Тангенс угла диэлектрических потерь tg  и диэлектрическая проницаемость  являются важнейшими характеристиками диэлектриков, так как характеризуют: tg d – величину рассеиваемой в диэлектрике мощности, e – способность диэлектрика к созданию электрической емкости и определяют качество диэлектрика при переменном U.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз  между векторами тока и напряжения в емкостной цепи.

Этот угол увеличивается с ростом потерь энергии в диэлектрике.

П Ĵ рирода диэлектрических потерь обуславливается токами абсорбции, являющимися следствием поляризационных процессов и тока сквозной проводимости. Однако, так как количественно ток сквозной проводимости в диэлектриках весьма незначителен, основное влияние на величину диэлектрических потерь оказывает активная составляющая тока абсорбции, что видно из векторной диаграммы токов в диэлектрике, проводимой на рис.1.




iск
iV


iскв

Jа
Iемк- чисто емкостной ток,

Iабс - ток абсорбции с компонентами:

активным I ‘’абс - и реактивным - I ’абс

Iскв - ток проводимости (сквозной ток)


iабс
I – полный ток диэлектрика






JC

Рис. 1. Векторная диаграмма тока при переменном напряжении


При переменном токе через изоляцию протекает ток, равный геометрической сумме токов

I= Iемк + Iабс + Iскв

Диэлектрические потери

Ра = U2 ·  · C · tg d

Ра – мощность, теряемая в диэлектрике, Вт;

U - напряжение, В;

 = 2 · π · f – угловая частота, с-1;

С – емкость, Ф;

Так как напряжение, угловая частота, емкость практически являются неизменными, то о потерях энергии в изоляции судят по величине tg d.

Диэлектрик с потерями можно представить в виде эквивалентных схем: последовательной (рис.2) или параллельной (рис.3).

В обоих случаях определение tg d сводится к определению сопротивления и емкости, входящих в эквивалентную схему диэлектрика.





Влияние различных внешних факторов на величину e и tg d диэлектриков находится в тесной связи с физическими свойствами диэлектриков и их химической структурой.


^ Зависимость e и tg d от температуры


У материалов с нейтральными молекулами зависимость диэлектрической проницаемости от температуры определяется, главным образом, изменением числа поляризуемых молекул в единице объема вещества вследствие его температурного расширения.

В случае перехода вещества под влиянием температуры в жидкое или газообразное состояние его диэлектрическая проницаемость уменьшается скачкообразно, что схематически показано на рис. 4.

У диэлектриков с дипольными молекулами зависимость от температуры проявляется значительно резче и характеризуется наличием максимума (рис.5).

Зависимость изменения tg d от температуры для дипольной жидкости приведена на рис. 6.




Максимум объясняется таким состоянием вязкости вещества, при котором полярные молекулы приобретают возможность совершать поворот на 180° под действием приложенного переменного напряжения, а следовательно, производить максимальную работу, преобразуя затрачиваемую при этом мощность в тепло. Уменьшение после перехода через максимум объясняется дальнейшим снижением вязкости жидкости, а следовательно, и уменьшением количества энергии, затрачиваемой на ориентацию диполей.

Дальнейшее увеличение tg d происходит за счет роста электропроводности жидкости вследствие повышения температуры.


^ Зависимость e и tg d от напряжения


Диэлектрическая проницаемость большинства диэлектриков слабо зависит от величины приложенного напряжения.





Рис. 6. Зависимость изменения tg d от температуры

для дипольной жидкости.


Зависимость tg d от величины приложенного напряжения представляет весьма большой интерес, так как дает возможность контроля качества изоляционных материалов и конструкций.

В диэлектриках однородного строения в области напряжений, при которых tg d остается неизменным, потери пропорциональны квадрату приложенного напряжения. В тех же случаях, когда с изменением напряжения значение tg d может увеличиваться, потери будут пропорциональны произведению U2 · tg d, т.е. могут определяться значительно большим числом.

Зависимость tg d = f (U) носит название кривой ионизации.


^ Описание лабораторной установки


Для определения e и tg d при измерениях на переменном напряжении низкой частоты широкое распространение получили мостовые методы.

Схема моста переменного тока представлена на рис.7





Мост уравновешивается подбором параметров плеч Y3 и Y4 при включении в первое плечо исследуемого образца диэлектрика и во второе плечо образцового конденсатора. Плечи имеют следующие параметры: Y1 =  · tgx+ j · Cx - полная проводимость исследуемого образца;

Y2 = j · C0 - емкостная проводимость постоянного образцового конденсатора;

C0 = 95,6 нФ;

Y3 = 1/R3 – активная проводимость декадного магазина сопротивления;

Y4 = 1/R4 + j · C4 – полная проводимость параллельно соединенных постоянного сопротивления R4 = 3183 Ом и регулируемой емкости.

Y1 Y3  Cx · tgx + j · Cx 1 R4

= (1) или = · (2)

Y2 Y4 j · Cx R3 j ·R4 C4


позволяет получить комплексную проводимость,

Y1 = Yх =  Cx · tgx+ j · Cx=

R4 1 R4 1

C0 · · ·  · R4 · C4 + j · C0 · ·

R3 2 · R42 · C42 R3 1+ 2 · R42 · C42


а из сравнения вещественной и мнимой частей определить численное значение емкости и тангенса угла диэлектрических испытуемого образца, выразив через показания моста при его равновесии:

tgx =  · R4 · C4 = 314· 3183· C4 = 106· C4 ; (3)


R4 1 R4 1 R4

Cx = C0 · · = C0 · · = C0 · (4)

R3 1+2 · R42 · C42 R3 1+ tg2 R3


В настоящей работе рассматривается метод измерения tg и СХ на высоковольтном мосте переменного тока Р 595, предназначенного для работы на частоте 50 Гц. Мост включен по перевернутой схеме, т.е. один из электродов образца заземлен. Принципиальная схема моста приведена на рис.8.

Высокое напряжение от трансформатора , в обмотку низшего напряжения которого включен лабораторный АТ, подводится к диагонали CD. К зажимам АВ подключен индикатор нуля, состоящий из транзисторного усилителя и стрелочного прибора.

Низковольтная часть моста состоит из магазинов сопротивлений и емкостей, подбором которых достигается уравновешивание плечей моста.

При равновесии удовлетворяется соотношение (1) и (2). Тангенс угла диэлектрических потерь отсчитывается непосредственно на лицевой панели моста. Емкость вычисляется.

Относительная диэлектрическая проницаемость может быть определена следующим образом:




где S – площадь электрода, см2 ,

d – толщина диэлектрика между электродами, см

Cх – емкость конденсатора, пФ

ε0 = 8,854 · 10-12 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

Испытуемый образец помещается в высоковольтную камеру, которая снабжена блокировкой, исключающей подачу высокого напряжения при открытой дверце.

Для снятия зависимостей tg δ и ε от температуры в работе используется вакуумный сушильный шкаф, в который помещается образец.


^ Подготовка к проведению исследований


При подготовке к работе следует изучить описание, ознакомиться со схемой установки и правилами техники безопасности при работе на ней, записать технические характеристики моста.

Подготовить таблицы для записи экспериментальных данных. После собеседования с преподавателем можно приступить к выполнению работы.


Проведение исследований

Определение tg δ, емкости и ε твердого диэлектрика


1. Подключить входные зажимы моста к испытуемому образцу.

2. Привести все переключатели и регуляторы в исходное положение:

а) ручку «Чувствительность» в положении «Выкл.»;

б) сопротивление R3 – в положении 50 Ом;

в) ручки tg δ – в положение 5%;

г) ручку А – в положение – «+tg δ»;


д) ручку В – в положение, соответствующее предполагаемому значению емкости. Если порядок величины емкости неизвестен, то переключатель В поставить в положение измерения наибольших значений емкости и при уравновешивании установить напряжение 3 кВ, сопротивление – не менее 15 Ом.

3. Включить питание моста.

4. Плавно поднять напряжение до требуемого значения. Никаких тресков, разрядов в элементах схемы не должно наблюдаться.

Во время подъема напряжения U и далее, в процессе работы нужно быть готовым немедленно отключить напряжение в случае обнаружения пробоя, перекрытия изоляции или появления человека в зоне ограждения.

5. Включить тумблер «сеть». При этом должна загораться лампочка освещения шкалы микроамперметра.

6. Установить ручку «Чувствительность» в такое положение, при котором стрелка микроамперметра отклонится на 30-35 делений.

7. Вращением ручек R3 и tg δ добиться положения, при котором отклонение стрелки микроамперметра будет минимальным (при максимальной чувствительности указателя равновесия).

8. Записать величины R3 и tg δ. Записать формулу, указываемую у ручки переключателя В.

9. Переключатель «Чувствительность» установить в положение «выкл.», уменьшить испытательное напряжение до нуля, выключить питание моста.

10. Записать толщину испытуемого материала и диаметр меньшего электрода.



^ Подключить зажимы моста к образцу, находящемуся в

термостате.

Произвести измерения при комнатной температуре.


Повышая температуру, через каждые 10˚ С повторить измерения tg δх , Сх . Графики зависимостей


Сх = ƒ(ι˚ С), tg δх = ƒ(ι˚ С)


^ 3. Определение зависимостей tg δх и Сх от напряжения


Подключить зажимы моста к образцу. Взятому по указанию преподавателя. Произвести измерения емкости и tg δх , увеличивая напряжение ступенями по 500 В.


Таблица № 1

Наименование

материала


U, В

R3 , Ом

Сх

tg δх

Толщина образца,

см

Диаметр

электрода,

см

ε

pN Вт/м3





























Контрольные вопросы


1. Что такое диэлектрические потери и какая величина численно их характеризует?

2. Какие эквивалентные схемы используются для изоляции с потерями электрической энергии и чему равен tg δ?

3. В каких случаях наблюдается зависимость ε от напряжения?

4. Виды поляризации в твердых, жидких и газообразных диэлектриках?

5. Каково назначение разрядников, включенных в диагональ высоковольтного моста, и при каком напряжении они должны срабатывать?

6. Что такое iем, iабс , iскв от чего они зависят и как сказываются на ε и tg δх ?

7. Как изменяется и в каких единицах измеряются удельные потери мощности при переменном напряжении pN= ƒ(U)?


ЛИТЕРАТУРА


1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1985.

2. Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергоатомиздат, 1987. Т.2, стр.368-373.

С.Н. Колесов, И.С. Колесов “Материаловедение и технология конструктивных материалов”. 2004г.: М: “Высшая школа”


_________________________________


^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3


ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

ДИЭЛЕКТРИКОВ


ЦЕЛЬ РАБОТЫ


Практическое ознакомление с процессом испытания твердых, жидких и газообразных диэлектриков на электрическую прочность.

В данной работе определяется средняя электрическая прочность при переменном напряжении промышленной частоты.


^ Основные теоретические положения


Твердые диэлектрики являются основным изолирующим материалом электрических аппаратов высокого напряжения.

Наиболее характерной особенностью твердых диэлектриков, резко отличающей их от жидких и газообразных диэлектриков, является потеря ими после пробоя электроизоляционных свойств.

Явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства под действия приложенного электрического поля, называется пробоем.

Пробой диэлектриков фиксируется в тот момент, когда в диэлектрике при постепенном увеличении напряжения наблюдается резкое увеличение тока. Отмеченная при этом напряжении носит название пробивного напряжения Uпр и используется для оценки пробивной напряженности или электрической прочности диэлектрика Епр,

,

где d – толщина диэлектрика в месте пробоя, мм;

Uпр – пробивное напряжение, кВ.

Для обеспечения надежности работы диэлектриков их рабочее напряжение Uраб должно быть значительнее ниже пробивного напряжения Uпр .

Отношение Uпр к Uраб носит название коэффициент запаса электрической прочности и для каждого вида электрика устанавливается в зависимости от его физико-химических свойств и условий работы.

Пробой твердых тел может вызываться как электрическими, так и тепловыми процессами, возникающими под действием поля. Явление электрического пробоя связана с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.


При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике при воздействии электрического поля.

Электрический пробой чаще всего имеет место при кратковременных воздействиях напряжения и, в частности, при напряжениях импульсного характера и является часто электронным процессом, протекающим очень быстро. Чисто электрической пробой имеет место, когда исключено влияние диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения. Тепловой пробой в общих чертах может быть охарактеризован следующим образом. Ток, проходя через диэлектрик, разогревает его. При этом может оказаться, что тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. При достижении критической напряженности поле произойдет потери электрической прочности и тепловое разрушение материала. Тепловой пробой – это разогрев материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и т.д.

Величина пробивной напряженности электрического поля при тепловом пробое является характеристикой не столько самого диэлектрика, сколько изготовленного из него электроизоляционного изделия и зависит от условий теплоотвода.

Пробивное напряжение связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и зависит также от нагревостойкости самого материала.

На рис.1 приведена зависимость пробивного напряжения стекла от температуры. Характерный излом кривой в точке А присущ всем твердым диэлектрикам (для каждого при своей критической температуре). Из графика видно, что при низких температурах пробивное напряжение не зависит от температуры, т.е. здесь имеет место область электрического пробоя. Выше некоторой критической температуры (определяемой условиями опыта и свойствами диэлектрика) происходит резкое снижение Uпр и отсюда уже начинается развитие теплового пробоя.

Существенное значение при определении электрической прочности твердых диэлектриков имеет время приложения напряжения.

График зависимости пробивного напряжения от времени действия напряжения показан на рис. 2.


С точки зрения длительности приложения напряжения различают кратковременное, минутное и длительное испытания.

Под кратковременным подразумевают обычно такое испытание, при котором напряжение на испытуемом образце повышают с равномерной скоростью 1-2% в секунду от ожидаемого пробивного значения до момента пробоя.





При минутном испытании к образцу возможно быстро прикладывается заведомо более низкое (50%), чем пробивное, напряжение. Это напряжение выдерживают одну минуту. Затем, повышая напряжение на 10 % от Uпр каждый раз повторяют выдержку, доводя такими ступенями величину напряжения до пробоя диэлектрика.

При длительном испытании на образец подается вначале напряжение, равное половине пробивного при кратковременного испытании, затем через каждые 30 минут напряжение увеличивается ступенями в 5 % от Uпр до пробоя диэлектрика.

Кроме описанных методов, при испытаниях изоляции снимается «кривая жизни». На диэлектрик накладывается ступенями в 5% от кратковременного значения пробивного напряжения испытательное напряжение и в каждом случае фиксируется время, в течение которого образец выдерживает приложенное напряжение. Затем по значениям пробивного напряжения и времени приложения напряжения строят график.


^ Описание лабораторной установки





Рис. 3 Схема лабораторной установки


Схема состоит из следующих элементов и приборов:

АТ – лабораторный автотрансформатор, служащий для регулирования напряжения; V – вольтметр на низкой стороне повышающего трансформатора; Тр – высоковольтный трансформатор; R – резистор служит для защиты трансформатора от больших токов и большой крутизны среза напряжения при перекрытии объекта испытания; Об – объект испытания; кV – электрический киловольтметр С-100.

Высоковольтная камера снабжена блокировкой, исключающей подачу высокого напряжения при открытой двери камеры.


^ Подготовка к проведению исследований


При подготовке к работе следует:

и