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.
|
|
Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с представленными на лабораторных стендах электроизоляционными материалами. Записать электрические характеристики указанных преподавателем материалов, дать области их применения, достоинства и недостатки. Определить класс нагревостойкости материалов. 2. Указать полярные и неполярные диэлектрики из ниже перечисленных: 1. Полистирол 6. Полиэтилен 2.Трансформаторное масло 7.Поливинилхлорид З. Гетинакс 8. Фарфор 4. Миканит 9. Полиимид 5.Фторпласт -4. 10. Эпоксид 3. Перечислить основные электроизоляционные материалы, применяемые в качестве электрической изоляции в следующих электротехнических устройствах: 1 . Изоляция электрических кабелей и проводов; 2. Изоляция обмоток электрических машин; 3. Изоляция трансформаторов; 4. Изоляторы линии передач. Укажите, какие основные требования предъявляются к ним. Контрольные вопросы 1. По каким электрическим характеристикам можно различить полярные и неполярные диэлектрики? 2. Какие электрические характеристики определяют пригодность диэлектрика Рис.1. Зависимость тока через диэлектрик от времени приложенного постоянного напряжения для работы при постоянном токе и токе высокой частоты? 3. Опишите технологию получения электротехнического фарфора. 4. Дайте определение компаундов, приведите их основные свойства, их классификацию с точки зрения применения. 5. Как связаны между собой старение и свойства полимеров? 6. Что называется нагревостойкостью? К каким классам нагревостойкости относится полистирол, картон, фторопласт - 4, мусковит? 7. Бакелит, глифталь, их свойства, области применения. 8. Чем различаются свойства фторопласта-3 и фторопласта-4 и почему? 9. Назовите основные свойства и области применения эпоксидных полимеров. 10. Какие виды электроизоляционных лакотканей вам известны? Назовите их области применения. 11. Что собой представляют слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит? Их свойства и применение. 12. Назовите достоинства и недостатки фарфора. Сравните прочность фарфора на сжатие и на разрыв. 13. В чем заключается различие между мусковитом и флогопитом по химическому составу, электрическим свойствам и нагревостойкости? 14. Каковы достоинства ситаллов по сравнению со стеклами? 15. Назовите основные материалы на основе слюды, используемые в качестве. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Целью работы является изучение методов и приобретение навыков определения удельного объемного и удельного поверхностного электрических сопротивлений диэлектриков. Краткие теоретические сведения Электроизоляционные материалы по своему назначению при воздействии постоянного напряжения совершенно не должны пропускать электрический ток. Однако применяемые на практике электроизоляционные материалы за счет наличия свободных зарядов, хотя и в чрезвычайно малом количестве, обладают некоторой проводимостью. Свойство вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся во времени электрический ток называется электропроводностью. Различают объемную и поверхностную электрические проводимости диэлектрика. Объемная проводимость диэлектрика равна отношению объемного тока к приложенному напряжению. Поверхностная проводимость равна отношению поверхностного тока к приложенному напряжению. Величины, обратные объемной и поверхностной электрических проводимостей, характеризуют собой объемное и поверхностное электрические сопротивления диэлектрика. Зависимость тока утечки через диэлектрик при приложении постоянного во времени электрического напряжения показана на рис. 1. Этот ток получил название тока утечки Iу. Ток утечки содержит постоянную и переменную составляющие: постоянная составляющая образует сквозной ток диэлектрика I CKB , обусловленный упорядоченным перемещением свободных носителей электрического заряда; переменная составляющая тока утечки - ток абсорбции I абс - обусловлена смещением связанных электрических зарядов диэлектрика под действием электрического поля. Изменение переменной составляющей тока утечки I у может протекать быстрее или медленнее в зависимости от того, какими видами электрической поляризации обладает диэлектрик. Если диэлектрику присущи медленно протекающие виды поляризации, то спадание тока абсорбции в таком диэлектрике будет медленное, в противном же случае - быстрое. Поэтому, определяя при постоянном напряжении проводимость диэлектрика по сквозному току, следует учитывать абсорбции со временем и за величину сквозного тока принимать ток, установившийся в диэлектрике спустя определенное время. Так, например, для измерения сквозного тока: через твердые диэлектрики типа гетинакс, текстолит, асбестоцемент, лакоткань и другие это время берется равным 1 мин. Электрическая проводимость диэлектрика равна G = I скв /U. В системе СИ единицей электрической проводимости является сименс (См), а электрического сопротивления - Ом. Для сравнительной оценки различных диэлектриков в технике принято пользоваться удельными величинами электрического сопротивления или электрической проводимости. Для плоского образца р v = R v (S/h) , где R v - объемное электрическое сопротивление образца, Ом; S -.площадь электрода, м 2 и h - толщина образца, м. Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата поверхности материала p s = R s (b/l), где R s - поверхностное электрическое сопротивление материала между параллельно поставленными электродами длиной l, м , отстоящими друг от друга на расстоянии b, м. Удельное объемное сопротивление электроизоляционных материалов зависит от температуры. С повышением температуры p v уменьшается по экспоненциальному закону, который в пределах температур, встречающихся на практике, может быть записан в виде p vt = р vo е -at , где р vo - удельное объемное сопротивление при начальной температуре, a - коэффициент, зависящий от природа материала, характеризующий скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры. Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги на поверхности диэлектрика. Однако, поскольку сопротивление абсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, то поверхностную электропроводность рассматривают как свойство самого диэлектрика. Удельная поверхностная электрическая проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и влажность окружающего его воздуха, чем чище поверхность диэлектрика, чем лучше она отполирована. Измерение удельного объемного и удельного поверхностного электрических сопротивлений производится по ГОСТ 6433.2-71 и сводится к измерению R v и R s Определение сопротивлений диэлектриков в зависимости от их величин производится различными методами, схемами и приборами. Для определения сопротивлений, не превышающих 10 11 - 10 12 Ом, наибольшее широкое применение нашел метод непосредственного отключения, при сопротивлениях не выше 10 13 -10 14 Ом – метод заряда конденсатора, а при величинах сопротивлений 10 14 -10 17 Ом и выше применяют электронные измерительные приборы – тераометры, в которых измеряемый ток I v или I s усиливается до необходимой величины. Сущность метода непосредственного отключения заключается в следующем: на испытуемый образец, имеющий три электрода (рис. 2), подается постоянное напряжение, измеряемое электростатическим вольтметром. Ток, проходящий через диэлектрик, измеряется зеркальным гальванометром, снабженным в целях регулирования его чувствительности универсальным шунтом. Кроме того, с помощью шунта можно предохранить гальванометр от перегрузки его током. Регулируя шунтом ток в гальванометре и фиксируя число делений отклонения «зайчика» на его шкале и Рис. 2. Кольцевые электроды для измерения сопротивления твердых диэлектриков методом непосредственного отключения знаменатель дроби шунтового числа, можно определить величину тока, протекающего через испытуемый образец по формуле I= a C g n, где а - число делений шкалы гальванометра, на которое отклонился "зайчик" на шкале гальванометра спустя 1 мин после подачи на образец напряжения; C g –динамическая постоянная гальванометра, т.е величина тока в амперах, вызывающая отклонения "зайчика" на шкале гальванометра на одно деление при расстоянии между гальванометром и шкалой, принятом на данной установке, n- знаменатель дроби шунтового числа, указывающий, какая часть от полного тока I прошла через гальванометр. Рис. 3. Принципиальная схема для определения объемного сопротивления диэлектриков Величина сопротивления образца определяется по формуле 𝑅 = 𝑈 𝐼 = 𝑈 𝑎𝐶 𝑔 𝑛 Для измерения объемного сопротивления применяется схема, приведенная на рис.3. Из которой видно, что в результате заземления охранного кольца-электрода через гальванометр потечет только объемный ток I v . Следовательно R v =U/ I v . Для определения поверхностного сопротивления применяется схема, приведенная на рис.4, из которой видно, что вследствие заземления электрода В через гальванометр потечет поверхностный ток I s . Поэтому R s =U/I s . Рис. 4. Принципиальная схема для определения поверхностного сопротивления диэлектриков Материальное обеспечение Устройство установки для определения удельных сопротивлений диэлектриков при постоянном напряжений соответствует схеме, представленной на рис. 5. Источником постоянного тока установки является выпрямитель, состоящий из высоковольтного трансформатора Т, кенотрона К с трансформатором накала Т н и конденсатора C 1 , служащего для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Трансформатор Т присоединяется к сети через автотрансформатор А, предназначенный для регулирования напряжения, подаваемого на трансформатор выпрямителя. Этим достигается регулирование величины выпрямленного напряжения, снимаемого с конденсатора Ct. Испытуемый образец может располагаться либо внутри камеры из органического стекла, либо в термостате, если необходимо снять температурную зависимость. Дверцы камеры и термостата снабжены блок-контактам Б. При открывании любой дверцы, когда открывается доступ к клемме "высокое напряжение", верхний (на схеме) блок-контакт размыкается и установка отключается от сети. Одновременно замы кается нижний блок- контакт и конденсатор С 1 разряжается. Следовательно, при любой открытой дверце (камеры из оргстекла или термостата) установка работать не будет, напряжение на образец не подается, и прикосновение к клемме "высокое напряжение" безопасно. Рис. 5. Схема установки для определения удельных сопротивлений диэлектриков: РЩ - щитовой рубильник; Б - дверные блок -контакты; КП - контакты магнитного пускателя; ВК -вспомогательный контакт магнитного пускателя; ОП - обмотка магнитного пускателя; П - кнопка "пуск" магнитного пускателя; С -кнопка "стоп" магнитного пускателя; А - лабораторный автотрансформатор; Т - высоковольтный трансформатор; Т„ - трансформатор накала кенотрона; К- кенотрон; Q - конденсатор выпрямителя; R 3 -защитный резистор; V - вольтметр; Р - рубильник; ИО - испытуемый образец; В„ - клемма "высокое напряжение"; Г - клемма "гальванометр"; 3 - клемма "земля"; Г - гальванометр; Ш - шунт гальванометра Внутри камеры и в термостате имеется изолированный металлический столик, на который кладется испытуемый образец таким образом, чтобы центральный и кольцевой электроды А и В (см. рис.2) были расположены сверху. Электрод А всегда присоединяется к клемме “гальванометр”, а электроды В и С – к клеммам “высокое напряжение” или “земля” в зависимости от цели испытания, т.е. при измерении объемного сопротивления согласно рис.3.(то же и на рис.5), а при измерении поверхностного – согласно рис.4. Ток через образец измеряется зеркальным гальванометром магнитоэлектрической системы, снабженным универсальным шунтом. Напряжение на образце измеряется вольтметром с малой потребляемой мощностью. Установка снабжена защитным резистором R 3 и рубильником Р для подачи напряжения на образец. Контрольные вопросы 1. Что такое удельное объемное и удельное поверхностное электрическое сопротивление диэлектриков? Каковы методы их измерения? 2. Чем обусловлена электропроводность диэлектрика? 3. Объясните влияние влажности и температуры на ρ v и ρ s 4. Как скажется на результатах вычисления ρ v отсутствие заземления охранного кольца на исследуемом образце? 5. Как скажется на результатах вычисления ρ s отсутствие заземления нижнего электрода В у исследуемого образца? 6. Почему принято определить сопротивление диэлектрика при постоянном напряжении? 7. Выведите формулу для расчета ρ s ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы Определение основных характеристик изоляционных материалов: относительной диэлектрической проницаемости ( ) и тангенса угла диэлектрических потерь ( tg ). Приобретение навыков измерения параметров электрических цепей с помощью прибора Е7-22. Краткие теоретические сведения Важнейшим свойством диэлектриков является их способность под действием внешнего электрического поля поляризоваться (связанные электрические заряды ограничено смещаются в направлении действующих сил поля, вызывая поляризацию диэлектрика). Свободные электрические заряды, содержащиеся в диэлектрике в небольшом количестве под действием поля приобретают упорядоченное перемещение, образуя сквозной ток. Протекание этих процессов сопровождается рассеиванием некоторой части энергии внешнего электрического поля в диэлектрике. Эта энергия преобразуется в тепловую. Обычно говорят о "затрате" или "потерях мощности", имея в виду среднюю за некоторый промежуток времени электрическую мощность, рассеивающуюся в веществе (диэлектрические потери). Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способы к подобному рассеиванию. Только идеальный диэлектрик может образовать электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет проходить чисто реактивный, емкостный ток. В изоляции же из реальных материалов полный ток I наряду с емкостной составляющей Iс=Iемк+I ” абс, будем иметь и активную составляющую Ia=Iскв+I ’ абс+Iн, которая и определяет величину диэлектрических потерь Р=IaU при переменном напряжении. Потери энергии в диэлектриках имеют место и при постоянном напряжении, значение которого равно Р=IсквU, где U - приложенное напряжение, Iскв - сквозной ток. Природа диэлектрических потерь обусловливается токами абсорбции, являющейся следствием поляризационных процессов и тока сквозной проводимости. Однако ввиду того, что количественно ток сквозной проводимости в диэлектриках весьма незначителен, основное влияние на величину диэлектрических потерь оказывает активная составляющая тока абсорбции, что с очевидностью вытекает из приведенной (рис.1) диаграммы токов диэлектрика, обладающего замедленными видами поляризации. В случае высоких напряжений дополнительные потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика. При изучении поведения диэлектрика с потерями в переменном напряжении принято заменять рассматриваемый диэлектрик эквивалентной схемой конденсатора с потерями. Обычно применяют последовательную или параллельную схему замещения Векторная диаграмма токов для параллельной схемы замещения диэлектрика приведена на рис. I. Обозначения токов: Iемк - чисто емкостный ток; I ” абс - реактивная составляющая тока абсорбции; Iскв – ток проводимости (сквозной ток); I ’ абс - активная составляющая тока абсорбции; In - активный ток, обусловленный ионизационными процессами в диэлектрике ( In наблюдается при повышенных напряжениях в диэлектриках, содержащих воздушные или газовые включения); I и δ полный ток через диэлектрик и угол диэлектрических потерь в случае отсутствия в диэлектрике газовых включений; I’ и δ' - с газовыми включениями. Как видно из диаграммы, наличие составляющей Ia приводит к тому, что сдвиг фаз между током I и напряжением U составляет не 90 (как в случае идеального диэлектрика), а L90 – δ. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол δ. Угол δ называют углом диэлектрических потерь и используют его (а чаще всего функцию этого угла tgδ) для оценки качества диэлектриков с точки зрения потерь в них энергии. Так как Ia=Ic tgδ , а Ic=UCω, то диэлектрические потери Р в участке изоляции с емкостью С будут равны: Р=U^2ωC tgδ. Любой диэлектрик с нанесенным на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор. Заряд конденсаторов, как известно, равен Q=СU , где U -приложенное напряжение; С - емкость конденсатора (или вообще емкость данного участка изоляции). Емкость изоляции зависит от геометрических размеров и конфигурации электродов и материала диэлектрика. Так, для плоского конденсатора с толщиной диэлектрика h и Рис. 1. Векторная диаграмма токов для параллельной схемы замещения диэлектрика площадью обкладок S емкость выражается формулой. С=EoES/h где E - относительная диэлектрическая проницаемость; Eo -электрическая постоянная. В системе СИ Eo=10^-9/36П. В случае цилиндрического конденсатора с радиусами внутреннего и внешнего электродов r и R соответственно и длиной каждого электрода l емкость вычисляется по формуле C=2ПEEol/lnr/R В тех случаях, когда емкость конденсатора или изоляции какого-либо изделия рассчитать затруднительно, ее определяют путем измерения. |