Предисловие Курс «Электротехническое материаловедение»

Вид материала

Документы

Содержание Зависимость e и tg d от температуры Зависимость e и tg d от напряжения Описание лабораторной установки Подготовка к проведению исследований Подключить зажимы моста к образцу, находящемуся в 3. Определение зависимостей tg δ Лабораторная работа № 3 Основные теоретические положения

Подобный материал:

• Программа курса электротехническое материаловедение для направлений подготовки бакалавров, 255.8kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины "электротехническое и конструкционное материаловедение", 191.74kb.
• Рабочей программы дисциплины Электротехническое и конструкционное материаловедение, 24.22kb.
• Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения. Курс, 284.31kb.
• Лекция №1 Цели и задачи курса «Материаловедение», 28.4kb.
• Программа дисциплины "Материаловедение швейного производства" для специальности, 102.26kb.
• Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение, 1417.04kb.
• Материаловедение 1, 26.57kb.
• Курс Наименование дисциплины Название методички, 82.15kb.
• Дисциплина «Материаловедение» Лекция, 167.85kb.

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.




i_ск
i_V


i_скв

J_а
I_емк- чисто емкостной ток,

I_абс - ток абсорбции с компонентами:

активным I ^‘’_абс - и реактивным - I ^’_абс

I_скв - ток проводимости (сквозной ток)


i_абс
I – полный ток диэлектрика






J_C

Рис. 1. Векторная диаграмма тока при переменном напряжении


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

I= I_емк + I_абс + I_скв

Диэлектрические потери

Р_а = U² ·  · C · tg d

Р_{а –} 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 · C_x - 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  C_x · tg_x + j · C_x 1 R₄

= (1) или = · (2)

Y₂ Y₄ j · C_x R₃ j ·R₄ C₄


позволяет получить комплексную проводимость,

Y₁ = Y_х =  C_x · tg_x + j · C_x =

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

C_x = C₀ · · = C₀ · · = C₀ · (4)

R₃ 1+² · R₄² · C₄² R₃ 1+ tg²  R₃


В настоящей работе рассматривается метод измерения tg и С_Х 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

C_х – 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

1. 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.

2. Подключить зажимы моста к образцу, находящемуся в
   

термостате.

Произвести измерения при комнатной температуре.


Повышая температуру, через каждые 10˚ С повторить измерения tg δ_х , С_{х .} Графики зависимостей


С_х = ƒ(ι˚ С), tg δ_х = ƒ(ι˚ С)


3. Определение зависимостей tg δ_х и С_х от напряжения


Подключить зажимы моста к образцу. Взятому по указанию преподавателя. Произвести измерения емкости и tg δ_х , 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 i_ем, i_{абс ,} i_скв от чего они зависят и как сказываются на ε и tg δ_х ?

7. Как изменяется и в каких единицах измеряются удельные потери мощности при переменном напряжении p_N = 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.

3. 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 U_пр и используется для оценки пробивной напряженности или электрической прочности диэлектрика Е_пр,

,

где d – толщина диэлектрика в месте пробоя, мм;

U_пр – пробивное напряжение, кВ.

Для обеспечения надежности работы диэлектриков их рабочее напряжение U_раб должно быть значительнее ниже пробивного напряжения U_пр .

Отношение U_пр к U_раб 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 U_пр 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 U_пр 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 U_пр 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.