Предисловие Курс «Электротехническое материаловедение»

Вид материала

Документы

Содержание Общие указания к выполнению лабораторных работ Техника безопасности Лабораторная работа № 1 Основные теоретические положения Описание лабораторной установки Подготовка к проведению исследований Проведение исследований Лабораторная работа № 2 Цель работы 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 Описание лабораторной установки Подготовка к проведению исследований Проведение исследований ... Полное содержание

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.

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

1. 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 р_v и поверхностного р_s 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 R_из можно написать




где U - приложенное напряжение;

i- наблюдаемый ток;

i_абс- ток абсорбции;

Токи абсорбции обычно учесть трудно, поэтому принято измерять ток i_мин через минуту после включения образца 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 p_v (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 p_v определяется для куба с ребром 1 м и выражается в Ом*м. Удельное поверхностное сопротивление p_s численно равно сопротивлению квадрата по поверхности диэлектрика со стороной 1 см и измеряется в Ом. p_v и p_s 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 , R_{v ,} Ом:




Величина R_v 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 i_повр протекающий по поверхности диэлектрика, а также ток I_v¹, 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 p_s численно хотя бы на один порядок ниже, чем p_{v .} (p_v ≥ p_s ).

Объемное сопротивление диэлектриков R_v 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 R_B .

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 R_x образца производится в следующем порядке:

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

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 p_v , внутренний диаметр кольцевого электрода D₁ и диаметр меньшего электрода D при определении p_s;

д) рассчитать R_x , p_v и p_s , используя формулы (3),(4),(6).

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

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

3. Исследование зависимости R_v 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

3. Через какой промежуток времени после включения образца под напряжение принято производить измерения на гальванометре и почему?
   
4. Как скажется на результатах вычисления p_v и p_s отсутствие охранного кольца на исследуемом образце?
   
5. Как и почему измеряется сопротивление диэлектрика при повышении приложенного к нему напряжения p_v = ƒ(U) и p_s = ƒ(U)?
   
6. Как измеряется и в каких единицах измеряется p_v = ƒ(τ) при U=const?
   
7. Как определить удельные потери мощности при постоянном напряжении p_= ƒ(U)?
   

ЛИТЕРАТУРА

1. Тареев Б.М., Казарновский Д.М. Испытания электроизоляционных материалов. М.: Госэнергоиздат, 1985.
   
2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.: Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1977.
   
3. Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергоатомиздат, 1987. Т.2, стр. 355-367.
   
4. 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