Методические указания к выполнению лабораторных работ Иркутск 1997
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
3. Задание на измерения 3.1. С помощью испытательной установки АИМ-90 или WPOT- 0.25/75 (с их устройством и принципом действия необходимо ознакомить- ся по описанию лабораторной работы № 4) произвести 25 пробоев образца трансформаторного масла в стандартной ячейке с интервалом времени ме- жду пробоями 1 мин. Записать значения измеренных пробивных напряже- ний. Перед выполнением следующего пункта отключить испытательную установку не менее чем на 10 мин. от сети. 3.2. Произвести вторую серию из 25 пробоев с тем же образцом мас- ла в стандартной ячейке и теми же интервалами времени. 3.3. По данным первой серии опытов построить графики оценок плотности вероятности и интегральной вероятности pˆ Pˆ . Для построения заполнить табл. 2. На графиках точки для плотности вероятности разме- щать посередине интервала, для интегральной вероятности – в конце ин- тервала, как на рис. 1. По графику определить вероятность отклонения пробивного напря- жения от среднего значения на величину ±s, ±2s. Используя таблицу распределения Стьюдента и формулу (7), опреде- лить границы для пробивного напряжения при P=0.95. 31 Таблица 2 Интервал, кВ Середина интервала, кВ n k n k /n % 100 / ) ( ˆ ⋅ ∆ = U n n U p k пр , %/кВ % 100 ˆ 1 ⋅ = ∑ = k i i n n P , % 3.4. Определить доверительные интервалы среднего значения про- бивного напряжения для двух серий измерений при доверительной вероят- ности 0.95 (или другой, указанной преподавателем), используя распреде- ление Стьюдента. Сделать выводы о влиянии продуктов разложения масла на его электрическую прочность. 3.5. Рассчитать эмпирический коэффициент корреляции между про- бивным напряжением и номером пробоя по первой серии опытов. При руч- ном расчете целесообразно заполнить таблицу 3, внизу которой следует подсчитать нужные для вычислений суммы. Таблица 3 Номер пробоя i i пр U , кВ ср пр i пр U U − , кВ 2 ) ( ср пр i пр U U − , кВ 2 ) ( ср пр i пр U U i − , кВ 3.6. По всем полученным результатам сделать выводы. 4. Контрольные вопросы Назовите цели и задачи работы. Почему пробивное напряжение трансформаторного масла носит слу- чайный характер? Какими величинами характеризуют случайную величину и почему? Как построить графики экспериментально полученных плотности вероятности и интегральной вероятности пробивного напряжения? Поясните понятия «доверительный интервал», «доверительная веро- ятность». Что такое коэффициент корреляции? Объясните схему, принцип действия, устройство испытательной ус- тановки и порядок работы с ней. Как выглядит стандартная измерительная ячейка? Какие правила безопасности необходимо соблюдать при работе с высоковольтной установкой? 32 Лабораторная работа № 6 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы – изучение основных свойств и характеристик ферро- магнитных материалов и методов их измерений. 1. Основные понятия и количественные характеристики К магнитным материалам относят такие материалы, которые спо- собны существенно усиливать действие внешнего магнитного поля. Поня- тие «внешнее магнитное поле» означает, что есть некий источник, соз- дающий магнитное поле (катушка с током, постоянный магнит), который считается внешним по отношению к какой-то среде, составленной магнит- ным материалом, внутри или рядом с которой находятся некоторые «внут- ренние» объекты, поведение которых сильно зависит от свойств материа- ла. Магнитное поле проявляет себя двумя основными способами: сило- вым воздействием на проводники с током (или вообще на движущиеся за- ряженные частицы, а также на постоянные магниты) и наведением элек- тродвижущих сил в контурах при изменении магнитного поля. Соответст- венно основной количественной характеристикой является индукция B магнитного поля (единица измерения – тесла, Тл), которая определяется величиной силы (в ньютонах), действующей на проводник с током 1 А длиной 1 м, ориентированный в пространстве так, чтобы сила была макси- мальна. Силовое воздействие магнитного поля B складывается из двух со- ставляющих: • действия внешнего намагничивающего поля, для однородной среды равного H 0 µ (неоднородная среда перераспределяет действие внеш- них сил), где H – другая характеристика магнитного поля, называе- мая напряженностью магнитного поля и определяющая часть сило- вого воздействия за счет внешних источников, µ 0 =4π·10 -7 Гн/м – маг- нитная постоянная; • дополнительного влияния намагниченной среды (для однородной среды равного разности B- µ 0 H). Отсюда следует, что основной характеристикой магнитного мате- риала можно считать зависимость индукции от напряженности поля B(H). Этих зависимостей несколько, они называются кривыми намагничивания. При намагничивании предварительно размагниченного материала получа- ется начальная кривая намагничивания B(H), при перемагничивании в симметричных пределах - гистерезисный цикл B(H). Кривую, соединяю- 33 щую вершины симметричных гистерезисных циклов, называют основной кривой намагничивания. По ней определяют относительную магнитную проницаемость H B r 0 µ µ = , которая показывает, во сколько раз однородная среда усиливает внешнее магнитное поле. Различают начальную магнитную проницаемость, определяемую в очень слабых полях, максимальную магнитную проницаемость, то есть наибольшее значение при некоторой напряженности поля, и ряд других. В переменных магнитных полях определяют динамическую магнитную про- ницаемость ≈ r µ как отношение амплитуды индукции к амплитуде напря- женности магнитного поля. Среди гистерезисных циклов особое значение имеет предельный цикл гистерезиса, называемый так потому, что он действительно является пре- дельно возможным: при дальнейшем росте максимальных значений ин- дукции и напряженности размеры цикла не растут, увеличиваются только безгистерезисные его участки (рис. 1). B H r B c H x l y l Рис. 1 Из предельного цикла определяются характеристики материала, осо- бенно важные для магнитотвердых материалов и определяющие разделе- ние материалов на магнитотвердые и магнитомягкие (вместе с величиной магнитной проницаемости). Это коэрцитивная сила H c (напряженность по- ля, необходимая для снижения индукции до нуля) и остаточная индукция B r (магнитное поле при отсутствии внешних намагничивающих сил). Более подробное описание приведено в книге [1], с. 267-275. 2. Описание экспериментальной установки Лабораторный макет предназначен для получения динамических 34 гистерезисных циклов ферромагнитного сердечника на частоте 50 Гц. Принципиальная схема макета показана на рис. 2. T1 l ср ≈220 В w 2 w 1 u 1 X Y R2 R1 V C u 2 V 2 Рис. 2 Измерение параметров гистерезисного цикла производится с помо- щью осциллографа – прибора, преобразующего напряжения на его входах в перемещение светового пятна на экране в двух взаимно перпендикуляр- ных направлениях. На вход усилителя вертикального отклонения осцилло- графа подается напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля в сердечнике, на вход усилителя горизонтального отклонения – напряже- ние, пропорциональное напряженности поля. Принципы получения соот- ветствующих напряжений основаны на двух законах: • полного тока ср L l H dl H w i ≈ = ∫ 1 1 , (1) • электромагнитной индукции dt dB S w dt d e 2 − = Ψ − = , (2) где w 1 , w 2 – числа витков обмоток; – длина средней силовой линии магнитного поля в сердечнике, м; – полный ток, протекающий внутри сердечника (при незагруженной вторичной обмотке), амперы; e – ЭДС, вольт, наводимая во вторичной обмотке магнитным полем с индукцией B ; S – площадь поперечного сечения сердечника, м ср l 1 1 w i 2 , предполагаемая одина- ковой по всей длине магнитной силовой линии. Падение напряжения на резисторе R1 в соответствии с выражением (1) пропорционально напряженности магнитного поля в сердечнике: 1 1 1 1 1 w R l H R I U ср R = = , или ср m R m l R w U H 1 1 , 1 = , (3) где I 1 – действующее значение тока в первичной обмотке, А; – ам- плитуда падения напряжения на резисторе R1, которую можно определить по размаху луча по горизонтали на экране осциллографа и чувствительно- сти осциллографа по входу X. m R U , 1 ЭДС вторичной обмотки трансформатора, в соответствии с выраже- нием (2), пропорциональна производной от индукции поля в сердечнике. 35 Чтобы получить напряжение, пропорциональное индукции, нужно обеспе- чить режим холостого хода во вторичной обмотке и проинтегрировать на- пряжение вторичной обмотки. Интегрирование производится цепочкою R2-C c достаточно большим сопротивлением R2, чтобы ток по цепочке протекал небольшой и практически все напряжение падало на резисторе R2. Тогда напряжение на конденсаторе C, подаваемое на вход Y, равно B C R S w dt R u C dt i C C q u C 2 2 2 2 2 1 1 = ≈ = = ∫ ∫ Это напряжение заставляет луч колебаться по вертикали с размахом, соот- ветствующим двойной амплитуде индукции. При синусоидально изме- няющейся индукции, в соответствии с выражением (2), можно определить амплитуду индукции, используя показания вольтметра V2, не прибегая к пересчетам размеров по вертикали на осциллографе: S w f U B m 2 2 2 2 π = , (4) где U 2 - действующее значение напряжения, отсчитываемое по вольтметру во вторичной обмотке, вольт; f =50 Гц. Порядок работы на лабораторном стенде следующий. 1. Установить ЛАТР стенда в нулевое положение. 2. Переключатели режимов работы развертки и усилителей устано- вить в положение X-Y. Сигнальные кабели осциллографа вставить в гнезда стенда, следя за тем, чтобы «земляные» провода сигнальных кабелей вставлялись в нижние гнезда. 3. Включить сетевую вилку стенда в розетку сети и включить пита- ние осциллографа. 4. Включить питание ЛАТР’а и исследуемого трансформатора. Под- няв напряжение на выходе ЛАТР’а примерно до 50 В, установить ручки чувствительности осциллографа в подходящее положение. Амплитуду то- ка на резисторе R1 можно определить по падению напряжения на нем. 5. По окончании измерений установить ЛАТР стенда в нулевое по- ложение, отключить питание испытуемого трансформатора, затем питание ЛАТР’а и вынуть из розетки сетевую вилку. 3. Задание на измерения 3.1. Проверив заземление стенда, собрать схему по рис. 2. После по- лучения разрешения на включение подать напряжение на стенд и вклю- чить осциллограф. Включив развертку для напряжения, снимаемого с резистора R1, по- пытаться при малых входных напряжениях получить синусоидальный на- магничивающий ток. Переключив осциллограф для получения гистерезис- ного цикла, зарисовать его. Записать показания приборов и чувствитель- 36 ность осциллографа по оси X в табл. 1. Таблица 1 Чувствительность X, В/см l x /2, см U R1,m , В H m , А/м U 2 , В B m , Тл µ r ∼ 3.2. Увеличивая входное напряжение исследуемого трансформатора с помощью автотрансформатора Т1, получить и зарисовать еще 4-5 гисте- резисных циклов. По формулам (3)-(4) найти значения амплитуд индукции и напряженности поля, а также значения динамической магнитной прони- цаемости, для чего необходимо записать значения параметров образца, приведенные на панели стенда, и сопротивление резистора R1. По полу- ченным данным построить графики зависимостей B m (H m ) (аналог основной кривой намагничивания) и ) ( m r H ≈ µ 3.3. Проанализировать результаты измерений и сделать выводы по полученным результатам. 4. Контрольные вопросы Назовите цели и задачи работы. Поясните смысл основных величин, описывающих магнитное поле. Каковы основные характеристики магнитных материалов? Объясните схему лабораторного стенда и принцип измерения индук- ции и напряженности магнитного поля. К каким затруднениям в лабораторной работе приводит нелиней- ность зависимости B(H) ? Лабораторная работа № 7 ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ – ИЗМЕРЕНИЕ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕК- ТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ Цель работы – изучение величин, характеризующих изоляцию с точки зрения возможности протекания электрического тока и нагрева, изу- чение методов и приборов для их измерений. 1. Основные понятия и количественные характеристики Испытания изоляции высоковольтных установок производят как при изготовлении и выпуске высоковольтного оборудования, так и в процессе эксплуатации с целью выявления возможных дефектов. Наиболее распро- страненный дефект изоляции – проникновение влаги, из-за чего ухудша- 37 ются электрические характеристики изоляции (сопротивление изоляции, tg δ , пробивное напряжение). В связи с дополнительным нагревом снижает- ся механическая прочность твердой изоляции. Заканчивается ухудшение характеристик изоляции ее пробоем. Нормы испытания изоляции различных видов электрооборудования [6] предусматривают измерение емкости изоляции и угла диэлектрических потерь. Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, которая уходит на нагрев изоляции при приложении к ней напряжения. Нужно подчеркнуть, что изоляция греется просто из-за приложения к ней напряжения; при небольших напряжениях нагрев практически не заметен, а при переменном напряжении нагрев существенно больше, чем при по- стоянном. Нагрев возникает из-за замедленных видов поляризации, сквоз- ной электропроводности, ионизации диэлектрика и из-за неоднородности структуры диэлектрика. При недопустимо высоких диэлектрических поте- рях изоляция может нагреваться до температуры теплового разрушения (электротепловой пробой). Диэлектрические потери зависят от приложенного к изоляции на- пряжения, поэтому для характеристики изоляции (и просто диэлектрика) чаще используется другая характеристика – тангенс угла диэлектрических потерь tg δ Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняю- щий до 90 градусов угол сдвига фаз между током через изоляцию и напря- жением на ней (фазный угол ϕ ). Угол ϕ не достигает 90 градусов именно из-за наличия нагрева изоляции, и чем больше tg δ , тем больше при прочих равных условиях диэлектрические потери. При рассмотрении реальной изоляции ее обычно замещают одной из двух простейших схем, отображающих емкостные свойства изоляции и возможность ее нагрева. Эти схемы составлены емкостным и резистивным элементами, которые соединяются либо последовательно, либо параллель- но. Величина емкости емкостного элемента, вообще говоря, зависит от ви- да схемы замещения, но для хорошей изоляции, когда 1, емкости элементов обеих схем замещения одинаковы, а сопротивление резистивно- го элемента параллельной схемы намного больше сопротивления последо- вательной схемы. В этом случае связь между диэлектрическими потерями и tg δ определяется формулой (1): 2 << δ tg δ ω tg U C P 2 = , (1) а потери в единице объема равны , (2) δ ε ε ω tg E p r 2 0 = где U – напряжение, приложенное к изоляции, E – напряженность электри- ческого поля в диэлектрике, ω – круговая частота, C – емкость изоляции, ε r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Контроль величины tg δ является одним из наиболее распространен- 38 ных методов контроля качества изоляции, чувствительным к различным дефектам и позволяющим судить об общем состоянии изоляции. Увеличе- ние tg δ изоляции свидетельствует об ее увлажнении, появлении проводя- щих примесей, микротрещин и т.п. Рост угла диэлектрических потерь с увеличением напряжения говорит об ионизации газовых включений в твердой изоляции. Вообще, поскольку основное требование к изоляции сводится к отсутствию ее нагрева вместе со свойством не проводить тока при постоянном напряжении, то понятно, что tg δ действительно является важнейшей характеристикой изоляции, а контроль изоляции по значению tg δ – один из основных и самых распространенных методов проверки со- стояния изоляции. Более подробное описание приведено в книгах [1], с. 43-48, [3], с. 75-93, [4], с. 165-188. |