Методические указания по ЭТМ нов для 2020-2021 у г. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Электротехнические материалы для студентов направления
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.И.РАЗЗАКОВА КАФЕДРА «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ» ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электротехнические материалы» для студентов направления 640200 «Электроэнергетика и электротехника» Бишкек 2020 Составители: Р.А. Акпаралиев, Т.Т. Медеров. УДК621.311 Электротехнические материалы: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электротехнические материалы» для студентов направление «Электроэнергетика» / КГТУ им. И.Раззакова, Бишкек, 2011 – 53 с. Излагается методика выполнения лабораторных работ, даны схемы установок. Краткие теоретические сведения по физическим процессам, наблюдаемым в диэлектриках при воздействии внешнего электрического поля. Изложены положения по технике безопасности при работе с высоковольтным оборудованием, установленным в данной лаборатории. Предназначены для студентов дневной, дистанционной форм обучения. Табл. 7. Ил. 18. Библиогр.: 8 назв. Рецензент к.т.н., доц Тагайматова А.А. 1. Материалы для вводного занятия 1.1 Введение Необходимость включения в учебный план курса «Электротехнические материалы» определяется той исключительно важной ролью, которую играют электротехнические материалы при конструировании, изготовлении и эксплуатации самых разнообразных электротехнических и радиотехнических установок. Увеличение мощностей и напряжений электрических установок, уменьшение габаритных размеров и веса электрических машин и аппаратов, необходимость работы машин, аппаратов и других устройств в условиях сильно повышенной или весьма низкой температуры, повышенной влажности, радиоактивного облучения, воздействия вибрации и пр., повышение частоты, улучшение стабильности настройки колебательных контуров и т.д. предъявляют все более жесткие требования к электротехническим материалам и вызывают необходимость разработки и внедрения новых, более совершенных типов материалов. Современные мощные электрические машины, сверхдальние линии электропередачи и аппаратуры высокого напряжения, полупроводниковые приборы, устройства автоматики и телемеханики вообще не могли бы быть выполнены без применения высококачественных электротехнических материалов и не могут правильно эксплуатироваться без знаний свойств и особенностей этих материалов. В ряде случаев использование особых свойств новых материалов позволяет создавать принципиально новые устройства. Весьма важны и экономические вопросы – вопросы выбора возможно более дешевых и доступных материалов, допускающих точную и простую обработку и массовый выпуск изделий со строго определенными свойствами. Применение новых материалов позволяет существенно удешевлять технологию и повышать производительность труда при изготовлении различных изделий, улучшать качественные показатели и эксплуатационную надежность оборудования, уменьшать габаритные размеры и вес изделий, расширять диапазон допускаемых рабочих температур и т.п. Большое внимание должно быть уделено также вопросам экономичного расходования меди, никеля, олова, свинца и других цветных металлов в народном хозяйстве. 1.2. Теоретические сведения к курсу Широкое развитие электротехники невозможно без применения новых, более совершенных электротехнических материалов, в особенности электроизоляционных, отвечающих требованиям все повышающихся рабочих напряжений. Правильный выбор диэлектрика для каждого конкретного случая не может быть произведен без знания его свойств, подтвержденных опытом, в силу чего возникла необходимость экспериментального исследования процессов, происходящих в диэлектриках, находящихся под воздействием электрического поля при различных внешних условиях (температура, влага, давление и пр.) Успешное решение задач, выдвигаемых бурно развивающейся электротехнической промышленностью, ставит перед каждым инженером-электриком требования – отчетливо понимать процессы, происходящие в диэлектриках во время их работы в электрическом поле, уметь экспериментально исследовать влияние на диэлектрик различных внешних факторов, правильно выбирать в каждом отдельном случае электроизоляционный материал. Поэтому, теоретическому изучению курса «Электротехнические материалы» должна сопутствовать работа в лаборатории, выполняя которую студент на практике проверяет правильность усвоенных им теоретических положений. Приступая к выполнению лабораторных работ, студент должен иметь четкое представление о поставленной перед ним задачей и физических явлениях, которые предстоит исследовать. Он должен также понимать, какими способами производятся эти исследования и хорошо знать устройство приборов и аппаратов, которыми предстоит пользоваться при выполнении работы. Все это говорит о необходимости заблаговременной подготовки студента к занятиям в лаборатории. Для облегчения этой подготовки в описании каждой лабораторной работы приводятся краткие теоретические сведения по рассматриваемому явлению или процессу. Однако, приводимые теоретические сведения по объему содержащейся в ней информации пригодны лишь для предварительного ознакомления с исследуемыми вопросами и сознательного выполнения работы. Для фундаментального изучения явления или процесса необходимо пользоваться конспектом лекций или учебником. Так как часть работ выполняется на установках высокого напряжения, то студенты перед началом работы в лаборатории должны изучить основные правила техники безопасности при работах на установках высокого напряжения, правила оказания первой помощи пострадавшим от воздействия напряжения, правила оказания первой помощи пострадавшим от воздействия электрического тока. 1.3. Основные правила техники безопасности при работах на установках высокого напряжения (выше 1000 В) 1. К установкам высокого напряжения относятся те устройства, в которых напряжение относительно земли может превышать 1000 В. 2. Все лица, работающие или обучающиеся в лаборатории на установках высокого напряжения, обязаны твердо знать и строго соблюдать требования техники безопасности к установкам высокого напряжения, инструкцию по технике безопасности, а также правила освобождения пострадавшего от действия тока и оказания ему первой помощи. 3. Студенты не имеют права самостоятельно работать на установках высокого напряжения и допускаются к работе в лаборатории только в присутствии преподавателя. 4. Работа на установках высокого напряжения должна производиться не менее, чем двумя лицами, одно из которых должно иметь квалификацию, дающую право на самостоятельное производство работы на установках высокого напряжения. 5. Действующая высоковольтная установка должна во всех случаях обеспечить безопасное выполнение работ. Для этой цели служат ограждения, защитное заземление, заземляющие или закорачивающие штанги, блокировки, сигнализация, два возможных разрыва (рубильники) в цепи питания высоковольтной установки, предупреждающие и запрещающие плакаты. 6. Каждая высоковольтная установка должна иметь свою специально составленную инструкцию по технике безопасности. Инструкция должна содержать: а) порядок включения и выключения установки; б) перечень запрещенных действий; в) краткое перечисление защитных средств и норм (ограждения, заземление, блокировка и т.п.) и правила их использования; г) описание действий в аварийных случаях. 7. Часто меняющаяся обстановка в лаборатории обязывает не полагаться на защитные устройства, и всякий раз, прежде, чем приступить к работе необходимо убедиться в: а) наличии инструкции по технике безопасности для данной установки; б) исправности схемы блокировки, переносных заземлителей постоянного заземления; в) исправности ограждений и правильности их установки; г) наличии предупреждающих плакатов; д) отсутствии за ограждением людей. 8. Включая высокое напряжение, необходимо предварительно громко предупредить: «Включаю высокое напряжение». 9. В процессе работы при включенной установке категорически запрещается: а) заходить за ограждение; б) передвигать ограждения; в) протягивать руки за ограждения; г) закорачивать или отключать блокировочные устройства; д) снимать запрещающие и предупреждающие плакаты; е) оставлять установку, находящуюся под напряжением, без присмотра. 10. После выключения напряжения, прежде, чем подойти к оборудованию, необходимо заземлить части установки, которые были или могут быть под высоким напряжением. 11. Напряжение должно быть снято и установка заземлена, если возникают сомнения в исправности установки или защитных средств. 12. При временном прекращении работы, переключениях в схеме и ремонтных работах установка должна быть отключена от источника питания и на рубильнике вывешен плакат: «Не включать – работают люди!» 13. После окончания работы необходимо: а) заземлить части установки, бывшие под напряжением; б) снять предупреждающие или запрещавшие плакаты; в) принять меры к предупреждению возможности случайного (ошибочного) включения установки под напряжением. 14. При работе с высоковольтными установками недопустимо присутствование в помещении лаборатории посторонних или случайных лиц. Настоящие правила составлены на основании типовых правил техники безопасности при работе студентов в учебных лабораториях и мастерских. 1.4. Требования, предъявляемые к подготовке лабораторных работ К следующему занятию в лаборатории студент может быть допущен лишь после защиты лабораторной работы, выполненной им на предыдущем занятии и сдачи коллоквиума по работе, которую предстоит выполнить. Студентам необходимо уяснить физический смысл и практическую значимость таких показателей свойств диэлектриков, как относительная диэлектрическая проницаемость, удельное сопротивление (объемное и поверхностное), тангенс угла диэлектрических потерь и электрическую прочность (пробивное напряжение) диэлектрика. Надо знать размерности и единицы измерения этих величин и формулы, связывающие их с геометрическими размерами и электрическими характеристиками изделия (полное, объемное и поверхностное сопротивления, емкость, полные и удельные диэлектрические потери, добротность, пробивное напряжение изоляции). Важно разобраться в характере зависимости этих характеристик от различных факторов (температуры, влажности, величины и частоты приложенного к диэлектрику напряжения и пр.) для различных видов диэлектриков (для газов также важна зависимость электрической прочности от давления). Необходимо ясно представлять различия в строении молекул и в электрических, физико-химических свойств полярных (дипольных) и неполярных (нейтральных) диэлектриков. Следует четко различать особенности чисто электрического, теплового (электротеплового), электрохимического и ионизационного пробоя диэлектриков. Необходимо также обратить большое внимание на особенности высокомолекулярных соединений (линейного и пространственного строения), синтетические полимеры, в частности, обладающие повышенной нагревостойкостью (кремнийорганические и фторорганические), процессы их пропитки и сушки, пластические массы. К отчету о выполненной лабораторной работе предъявляются следующие требования: 1. Отчет должен содержать исчерпывающие данные как о цели работа, Так и о ее результатах в следующей последовательности: а) задание; б) схема установки; в) описание методики измерений; г) числовой материал эксперимента, сведенный в таблицы; д) графики, построенные на основании числового материала эксперимента; е) общие выводы о работе и заключение о качестве исследованных материалов. 2. Текст отчета должен быть написан чернилами, без помарок и исправлений, разборчивым почерком с логическим изложением существа вопроса. 3. Графики и схемы должны быть вычерчены тушью, чернилами или цветными карандашами на миллиметровой бумаге с отчетливым нанесением экспериментальных точек. 4. Каждый график обязательно 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 исследований в лаборатории. К отчету о лабораторной работе должны быть приложены теоретическое обоснование причин изменения характеристик материалов, происходящих в результате воздействия на них различных внешних факторов, и графики этих характеристик. В настоящем руководстве рассмотрены следующие лабораторные работы: 1. Определение удельных сопротивлений твердых диэлектриков. 2. Определение относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь диэлектриков при частоте 50 Гц. 3. Исследование физических и электрических свойств жидких диэлектриков. 4. Определение электрической прочности твердых диэлектриков. 5. Исследование электрической прочности газообразных диэлектриков. 6. Исследование магнитных характеристик ферромагнитных материалов с помощью осциллографа. 7. Изучение диэлектрических материалов. Электроды, применяемые для электрических испытаний диэлектриков При испытании электроизоляционных материалов решающее значение имеют тип и форма электродов, посредством которых на испытуемый образец налагается напряжение. Объясняется это тем, что диэлектрическая прочность диэлектриков в большей степени зависит от формы приложенного к нему электрического поля, в то время как последняя, в частности, определяется формой электродов. Типы электродов, применяемых при испытаниях твердых диэлектриков, могут быть различны: жидкостные, металлические, графитовые и т.п. Однако, какой бы тип электродов для данного опыта, требования к нему предъявляются следующие: 1) воспроизводимость результатов; 2) отсутствие влияния материала электродов на материал испытуемого диэлектрика; 3) быстрота изготовления электродов и их наложение на образец диэлектрика; 4) отсутствие вредного влияния материала электродов на здоровье работающего. Большинство электрических испытаний диэлектриков сводится к измерению либо величины тока, протекающего через исследуемый диэлектрик, либо величины напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика. Так как измеряемые токи достаточно малы, существенное значение приобретает величина переходного сопротивления между электродом и испытуемым диэлектриком. Для получения наиболее близких к истине результатов, переходное сопротивление должно быть минимальным, т.е. необходимо добиться электрического контакта между диэлектриком и электродом. Кроме того, учитывая, что определение характеристик диэлектриков производиться в большинстве случаев при повышенных напряжениях, следует иметь в виду, что в случае неплотного прилегания электрода к диэлектрику между ними могут развиваться ионизационные процессы, что внесет заметные искажения в результаты измерений. Малое переходное сопротивление дают жидкостные электроды, т.е. электроды, у которых непосредственный контакт с испытуемым образцом осуществляется электропроводящей жидкостью (ртуть, подкисленная вода и пр.). При работе с ртутью, жидкостными электродами нельзя производить испытания так быстро, как это возможно с другими типами электродов. Кроме того, применяемая электропроводящая жидкость не должна оказывать вредного влияния на материал испытуемого образца, т.е. его разъедать, растворять, окислять и т.п. Поэтому жидкостные электроды применяются сравнительно редко. Хороший электрический контакт с весьма незначительным переходным сопротивлением дают электроды. Нанесенные на диэлектрик катодным распылением или, если это допускает диэлектрик, вжиганием в него металла. Однако, процесс препарирования таких образцов (нанесение на них электродов) довольно сложен и длителен, что ограничивает степень применения таких электродов. Все же в случае необходимости проведения точных измерений, этот вид электродов довольно широко распространен. Наиболее часто применяются электроды, вырезанные из тонкой алюминиевой фольги и припертые к поверхности диэлектрика до возможно лучшего с ним контакта на тонком слое вазелина или трансформаторного масла. Этот вид электродов применяется особенно широко при серийных испытаниях, хотя точность воспроизведения результатов при использовании таких электродов меньше, чем при жидкостных ил металлических, нанесенных распылением или выжиганием. Достаточно точное воспроизведение результатов дают электроды, представляющие собой смесь порошка и электроизоляционного лака. Однако, к недостаткам этого вида электродов следует отнести довольно значительное время, требующееся для нанесения графитной смеси на образец и последующего ее высыхания. При измерениях пробивного напряжения твердых диэлектриков величина переходного сопротивления между электродами и испытуемым образцом уже не имеет того значения, которое оно имеет при измерениях малых токов, в силу чего в этом случае наиболее часто применяются обычные массивные электроды из латуни или стали. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы: Ознакомиться с внешним видом наиболее распространенных диэлектрических материалов, описать их физико-химические и электрические свойства. Изучить область применения данных материалов. Краткие теоретические сведения По совокупности свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации, все диэлектрические материалы подразделяются на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. Электроизоляционные материалы обладают высоким удельным электрическим сопротивлением и высокой электрической прочностью. Поляризованность таких диэлектриков прямо пропорциональна напряженности электрического поля (т.е. Р= X Е, где Х- абсолютная диэлектрическая восприимчивость диэлектрика) и весьма слабо зависит от других внешних воздействий. Электроизоляционные материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различным электрическим потенциалом. Назначение электрической изоляции не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора. Активные диэлектрики - это диэлектрические материалы, способные преобразовывать, генерировать или усиливать электрические сигналы в электрической цепи. К активным диэлектрикам относятся: 1 . Сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешним воздействием. У таких диэлектриков наблюдается явная зависимость Е r = f(Е). 2. Пьезоэлектрики - диэлектрики, поляризованность которых зависит от механических воздействий. У таких диэлектриков наблюдается явная зависимость Е Г =f (F), где F - механическое напряжение. 3. Пироэлектрики - диэлектрики, поляризованность которых зависит от температуры. У таких диэлектриков наблюдается явная зависимость Е =f (Т), где Т - температура диэлектриков. 4. Электреты - диэлектрики, длительно создающие в окружающем пространстве электростатическое поле за счет предварительной их электризации или поляризации. Наиболее широко представлены в электротехнике твердые электроизоляционные материалы. По своей химической природе и по свойствам твердые диэлектрики могут быть разделены на органические и неорганические. Под органическими веществами понимают соединения углерода с другими элементами. Они могут быть получены двумя основными способами: 1 . Путем переработки или обработки природных продуктов растительного или животного происхождения (искусственные материалы). 2. Путем синтеза на основе природного газа и продуктов переработки каменного угля, нефти (синтетические материалы). Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью; из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм. К недостаткам органической изоляции следует отнести невысокую нагревостойкость, недостаточную стойкость к воздействию окружающей среды, склонность к старению в электрическом, тепловом и радиационном полях. Неорганические электроизоляционные материалы получают как путем переработки природных материалов, так и искусственным смешением исходных неорганических компонентов и их спеканием при высокой температуре. Основными достоинствами неорганической изоляции является их высокая химическая стойкость и нагревостойкость. Неорганические материалы обладают повышенной теплопроводностью, стойкостью к старению в электрическом и радиационном полях. К недостаткам этих материалов следует отнести трудность обработки и переработки в электроизоляционные изделия, получение тонкой изоляции, повышенный вес и т.д. |