Методические указания к выполнению лабораторных работ Иркутск 1997
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
r диэлектрика опирается на понятие емкости конденсатора и зву- чит следующим образом: ε r – это отношение емкости конденсатора с ди- электриком к емкости того же конденсатора без диэлектрика (с вакуумным заполнением). Емкостью же конденсатора, как известно, называют абсо- лютную величину заряда на одной из пластин конденсатора, заряженного одинаковыми по величине и разными по знаку зарядами при напряжении между пластинами 1 В. Если же смотреть на понятие относительной ди- электрической проницаемости изнутри диэлектрика, то она показывает, во сколько раз диэлектрик уменьшает действие внешних по отношению к не- му электрических сил. Значение ε r меняется от единицы для воздуха до нескольких единиц для наиболее распространенных диэлектриков и может достигать значения нескольких тысяч для сегнетоэлектриков. Более подробное описание приведено в учебнике [1], с. 17-42. 2. Описание экспериментальной установки Измерение удельных сопротивлений материалов производят путем измерений сопротивлений их образцов. При измерении сопротивлений об- разцов диэлектриков приходится решать две основные проблемы: во- первых, нужно измерять очень малые токи, протекающие через образец, и, во-вторых, требуется измерять раздельно токи по загрязненной поверхно- сти и токи через толщу диэлектрика. В лабораторной работе для этой цели используется трехэлектродная система и плоские образцы диэлектриков (рис. 1). Основных электродов два: измерительный и высоковольтный, а третий электрод называют охранным, он служит для отвода ненужной составляющей тока. К высоковольтному электроду присоединяется вы- вод источника высокого напряжения, измерительный электрод соединяет- ся с гальванометром (или с входом измерительного усилителя), а охранный электрод вместе со вторыми выводами источника и гальванометра зазем- ляют. d 2 d 1 3 образец 2 1 Рис. 1 8 При измерении объемного сопротивления образца измерительным электродом может служить нижний металлический диск с выводом 1, ох- ранным – кольцо с выводом 2, высоковольтным – верхний диск 3. Токи по загрязненной поверхности будут перехватываться кольцом, и гальвано- метр, подключенный к нижнему диску, будет измерять только объемные токи, что позволит измерить объемное сопротивление R образца и пере- считать его к удельному объемному сопротивлению: h Rd ср 2 785 0 = ρ , где - толщина образца, все величины выражены в ос- новных единицах системы СИ. h d d d ср , 2 / ) ( 1 2 + = При измерении поверхностного сопротивления образца измеритель- ным электродом может служить кольцо 2, высоковольтным – верхний диск 3, а охранным – нижний диск 1. При малости зазора между кольцом и верхним диском можно считать этот зазор за прямоугольник и тогда удельное поверхностное сопротивление определится из поверхностного сопротивления Rs по формуле h d R ср s π ρ = , где - зазор между электродами. 2 / ) ( 1 2 d d b − = Для измерения относительной диэлектрической проницаемости в работе используется соотношение между емкостью C конденсатора, со- ставленного двумя электродами и образцом диэлектрика, и емкостью воз- душного конденсатора с теми же электродами. Первая емкость измеряется, а вторая вычисляется по формуле емкости плоского конденсатора, так что 2 0 4 ср r d hC πε ε = При переменном напряжении нагрев диэлектрика существенно больше, чем при постоянном напряжении, из-за наличия потерь релакса- ционных видов поляризации. Если измерить тангенс угла диэлектрических потерь δ tg , то по его значению можно вычислить активное удельное со- противление при переменном напряжении: δ ε ρ tg f r a 10 10 8 1 ⋅ = , Ом·м, где - циклическая частота, Гц. Из сравнения удельных сопротивлений при постоянном и переменном напряжениях можно судить о вкладе поля- ризационных потерь в нагрев при переменном напряжении. f Для измерения сопротивлений используется тераомметр Е6-13А, позволяющий измерять сопротивления вплоть до 10 13 Ом при напряжениях 10 и 100 В. 9 Порядок работы с тераомметром Е6-13А следующий. 1. Подготовка к работе. 1.1. Проверьте положение кнопки замыкателя входа, которая перед началом работы должна быть в нажатом положении (режим установки ну- ля). Переключатель измерительного напряжения установите в положение 100 В. 1.2. Если имеется измерительная камера, то поместите в нее трех- электродную измерительную систему и соедините измерительную камеру с клеммой заземления, расположенной на задней панели прибора. Элек- троды трехэлектродной системы соедините с входными зажимами прибо- ра. 1.3. Включите шнур питания в сеть, включите сетевой выключатель прибора. Подождите примерно 1 мин, в течение которой указатель прибо- ра должен установиться на нулевую отметку шкалы. Выдержите прибор включенным в течение 30 мин. 2. Подготовка к проведению измерений. 2.1. Установите ручками УСТ.0 ГРУБО и УСТ.0 ТОЧНО указатель прибора на нулевую отметку шкалы, а переключатель поддиапазонов пе- реведите в положение, соответствующее измеряемому сопротивлению. На поддиапазонах от 10 2 до 10 6 Ом, обозначенных на передних па- нелях как ЛИНЕЙНЫЕ, отсчет производится по линейным шкалам, а на поддиапазонах от 10 6 до 10 13 Ом – по обратно пропорциональным шка- лам. При проведении измерений по обратно пропорциональным шкалам измерительное напряжение на входных гнездах может быть выбрано рав- ным 100 В или 10 В с помощью переключателя, расположенного на задней панели прибора. При использовании измерительного напряжения величи- ной 10 В полученный по прибору результат измерения следует умножить на 0.1. Множитель х0.1 действителен только для поддиапазонов от 10 6 до 10 13 Ом. 3. Проведение измерений по обратно пропорциональным шкалам. 3.1. Установите переключатель поддиапазонов в положение, соот- ветствующее измеряемому сопротивлению, предварительно включив тре- буемое измерительное напряжение переключателем 100 В – 10 В. 3.2. Подключите измеряемый объект к гнездам "R x " и "Экран". 3.3. Установите ручкой УСТ.0 ТОЧНО указатель прибора на отмет- ку ∞ обратно пропорциональных шкал. 3.4. Переведите кнопку замыкателя входа в отжатое положение и произведите отсчет по шкале, соответствующей установленному под- диапазону. 3.5. Нажмите кнопку замыкателя входа и отключите измеряемый объект. 3.6. По окончании измерений отключите питание прибора. 10 Для измерения емкости и тангенса угла потерь в работе используется автоматический мост Р5016, имеющий диапазон измерения по емкости от 0.01 пФ до 100 мкФ с погрешностью не более 1%, по тангенсу угла потерь - от 0.0001 до 1 с погрешностью не более 5%. Порядок работы с мостом следующий. 1. Подключить к мосту объект измерения, используя прилагаемые к мосту соединительные кабели. 2. Установить переключателем ЧАСТОТА, КГЦ требуемую рабочую частоту. 3. Установить переключатели РОД РАБОТЫ и ЗАПУСК в положе- ния I и РУЧН соответственно. 4. Переключатель ИЗМЕРЕНИЕ установить в положение С. 5. Включить тумблер СЕТЬ. 6. Нажать кнопку ручного запуска прибора и по окончании вариаций цифр произвести отсчет результата измерения. 3. Задание на измерения 3.1. Произвести измерения удельных объемных и поверхностных со- противлений выданных образцов при напряжении 100 В. Результаты изме- рений занести в самостоятельно подготовленную таблицу. Проанализиро- вать результаты и сделать выводы. 3.2. Произвести измерения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь образцов на частотах 1, 5, 10, 50 кГц. Рассчитать активное удельное сопротивление при переменном напряжении и сравнить его с удельным сопротивлением при постоянном напряжении. Результаты занести в таблицу 1. Измерьте и запишите геометрические размеры образ- ца. Таблица 1 № измере- ния Cx, пФ tg δ Частота, кГц ρ а , Ом·м ε r Схема за- мещения 4. Контрольные вопросы Что называют напряжением между двумя точками? Током через се- чение объекта? Сопротивлением резистора? Емкостью конденсатора? Что такое поверхностное сопротивление, объемное сопротивление образца диэлектрика, зачем нужны эти понятия? В каких единицах они из- меряются? Поясните понятие «поляризация диэлектрика». Дайте определение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика. Каким образом измеряются разные величины в данной лабораторной 11 работе? Лабораторная работа № 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ВОЗДУХЕ В ОДНОРОДНЫХ И НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ Цель работы – изучение характера пробоя воздушных промежутков типа плоскость – плоскость, стержень – плоскость, стержень – стержень, изучение зависимости пробивного напряжения от вида электродов, рас- стояния между электродами, от формы поданного напряжения и его по- лярности. 1. Основные понятия и количественные характеристики Воздух является диэлектриком, то есть веществом, в обычном со- стоянии не проводящим электрический ток. Откуда же в воздухе берутся свободные электрические заряды, за счет которых начинает протекать электрический ток? Основной причиной появления заряженных частиц в воздухе является ударная ионизация – появление заряженных частиц при столкновении электронов с нейтральными молекулами. Первый свободный электрон привносится извне в том плане, что причиной его отрыва от ней- трального атома является внешние ионизаторы типа естественной радио- активности, космических лучей или ультрафиолетового излучения. При поддержании ионизации электрическим полем разряд становится само- стоятельным, не зависящим от внешних ионизаторов. Закономерности са- мостоятельного разряда определяются величинами и распределением в пространстве электрического поля, то есть в первую очередь формою элек- тродов. Пробоем изоляции называют потерю изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением U пр . Соответствующая напряжен- ность электрического поля h U E пр пр = , где – расстояние между электро- дами, называется электрической прочностью промежутка. h В однородном электрическом поле (электроды типа плоскость – плоскость, сфера – сфера) самостоятельный разряд развивается по всей длине промежутка, что приводит к пробою промежутка. В резконеодно- родном поле (стержень – плоскость, стержень – стержень) самостоятель- ный разряд начинается при сравнительно небольшом напряжении вблизи стержня – возникает корона. При более высоком напряжении произойдет пробой, причем электрическая прочность в этом случае в несколько раз 12 меньше, чем в однородном электрическом поле. Можно отметить несколько наиболее существенных факторов, опре- деляющих закономерности развития разряда в воздушном промежутке. Во- первых, основными частицами, ответственными за пробой, являются отри- цательно заряженные электроны; однополярность основных частиц влечет за собой различия пробоя промежутка с неодинаковыми электродами при разной их полярности. Во-вторых, при ионизации нейтральных молекул остаются малоподвижные положительные ионы, которые в промежутке стержень – плоскость либо экранируют положительное острие, либо резко усиливают поле вблизи отрицательного острия. И, в-третьих, на развитие проводящего канала в газе, называемого стримером, существенное влия- ние, кроме ударной ионизации, оказывает фотоионизация в объеме газа и ионизация на катоде из-за воздействия фотонов и положительных ионов. По указанным причинам промежуток с резконеоднородным полем отличается от промежутка с однородным полем наличием коронного раз- ряда и меньшей электрической прочностью. В промежутке стержень – плоскость существует эффект полярности: корона начинается при мень- шем напряжении на отрицательном острие, но пробивные напряжения промежутка с отрицательным острием значительно больше, чем с положи- тельным (а на переменном напряжении нужно ожидать пробоя промежутка при положительной полуволне на острие – и при максимальном значении синусоиды напряжения). Зависимость пробивного напряжения от расстояния между электро- дами типа плоскость – плоскость, сфера – сфера подчиняется закону Па- шена; в нормальных условиях пробивное напряжение растет с ростом рас- стояния между электродами, но медленнее, чем расстояние. Более подробное описание приведено в книгах [1], с. 58-64, [3], с. 7- 24, [4], с. 10-43. 2. Описание экспериментальной установки В лабораторной работе используются испытательные установки пе- ременного напряжения WPT-4.4/100 и постоянного напряжения GPT-6/120. Последняя отличается от установки высокого переменного напряжения только наличием высоковольтного полупроводникового выпрямителя. Ус- тановки позволяют получить переменное напряжение до 100 кВ (дейст- вующее значение) и до 120 кВ выпрямленного напряжения со скоростью подъема 2% в секунду и с автоматическим отключением при пробоях ис- пытуемого объекта. Упрощенная принципиальная схема установки приве- дена на рис. 1. 13 Рис. 1 Установка содержит испытательный трансформатор Т2 на напряже- ние 100 кВ, автотрансформатор Т1, подвижный контакт которого переме- щается электроприводом, замковый выключатель S1, контактор S2 вклю- чения высокого напряжения (кнопка этого контактора одновременно включает и электропривод регулятора напряжения, а при отжатой кнопке электропривод отключается), ограничительный резистор R1, выпрямитель V (для установки выпрямленного напряжения) и измерительные приборы: вольтметр P1, включенный к отводам высоковольтной обмотки, и милли- амперметр P2, измеряющий либо переменный, либо постоянный ток в за- висимости от типа установки. Испытательные трансформаторы и все высоковольтные части уста- новок расположены на испытательном поле за ограждением, снабженным световой сигнализацией включения высокого напряжения и блокировкой двери, отключающей высокое напряжение при открывании двери. Работа на установке производится в следующем порядке. 1. Перед входом на испытательное поле необходимо убедиться в том, что обе установки выключены. После открывания дверей необходимо на- ложить заземляющие штанги на выход выпрямителя установки постоянно- го напряжения и на высоковольтный вывод установки переменного напря- жения. 2. Проверить заземление корпусов оборудования (включая транс- форматоры, пульты управления и металлические ограждения) и произве- сти необходимые переключения на испытательном поле. 3. Переключатели полярности и пределов измерения приборов, пере- ключатель режима работы на пульте управления установить в нужное по- ложение. 4. Получив от преподавателя разрешение на включение, включить в розетку сетевой разъем установки, замковый выключатель S1 перевести в положение 1. В кнопке ВКЛ. – НАПР.УВЕЛ. должна загореться зеленая сигнальная лампа. 5. Громко предупредив присутствующих о включении высокого на- пряжения, включить контактор S2 кнопкой ВКЛ. – НАПР.УВЕЛ. Зеленая 14 лампа в кнопке должна погаснуть, а вместо этого должна загореться крас- ная лампа в кнопке ОТКЛ и сигнальная лампа на ограждении испытатель- ного поля. 6. Подъем напряжения происходит при нажатой кнопке ВКЛ. – НАПР. УВЕЛ. Скорость подъема напряжения устанавливается потенцио- метром НАРАСТАНИЕ НАПР. Кнопкой НАПР. ПАДАЕТ можно снижать напряжение с той же скоростью. При пробое или перекрытии испытуемого объекта сетевой контактор отключается, а значение напряжения в момент пробоя фиксируется измерительным прибором; нужно, однако, следить за показаниями вольтметра непрерывно, поскольку стрелка перед прижатием ее леской может дернуться и показать напряжение, отличное от пробивно- го. Освобождается стрелка при повторном включении контактора S2 или при отключении замкового выключателя. 7. Для выключения установки следует нажать кнопку ОТКЛ, что приведет к отключению контактора S2 и включению двигателя возврата регулятора автотрансформатора в нулевое положение. Дождитесь останов- ки двигателя и затем отключите замковый выключатель и выньте сетевой разъем из розетки. 3. Задание на измерения 3.1. На установке переменного напряжения измерить пробивные на- пряжения U пр промежутков плоскость – плоскость (или шар – шар), стер- жень – плоскость и стержень – стержень при пяти разных расстояниях ме- жду электродами. Для двух последних промежутков измерить напряжение начала короны U кор по потрескиванию или свечению на острие. Расстояние между плоскостями S не должно превышать 3 см, в остальных случаях – не более 8 см. На каждом расстоянии произвести по три измерения. Результа- ты занести в табл. 1. Таблица 1 Форма электро- дов S, см Вид и поляр- ность U кор1 , кВ U кор2 , кВ U кор3 , кВ U кор_ср , кВ U пр1 , кВ U пр2 , кВ U пр3 , кВ U пр_ср , кВ E пр , кВ/см 3.2. Измерения пункта 3.1 повторить при выпрямленном напряже- нии. Для промежутка стержень – плоскость измерить пробивные напряже- ния при разных полярностях стержня. 3.3. По данным таблицы построить графики зависимостей пробивно- го напряжения и электрической прочности от расстояния. Сделать выводы по полученным результатам. 15 |