Лабораторная установка и электрическая схема соединений
Для определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных изоляционных материалов измеряются параметры последовательной схемы замещения конденсатора (C и R) с диэлектриком из испытываемого материала. Схема электрическая соединений для измерения параметров конденсатора приведена на рис.2. Плоский конденсатор (блок 2355), между пластинами которого помещен испытываемый диэлектрик, подключается к измерителю параметров
RLC Е7-22 (блок 533). Блоки питания 218 и 224.1 обеспечивают напряжение питания +12В для Е7-22.
533
220 B
218
G1 2355 224.1
A2
PP1
Рис.2. Схема электрическая соединений для измерения параметров конденсатора с испытываемым диэлектриком.
Емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком определяется соотношением
d
S
C
0
,
где
ì
Ô
12 0
10 854
,
8
- электрическая постоянная (диэлектрическая
проницаемость вакуума);
- относительная диэлектрическая проницаемость испытываемого диэлектрика; S - площадь пластин конденсатора в кв. метрах. В эксперименте учитывается площадь верхней пластины конденсатора. Влиянием краевого эффекта пренебрегаем; d - расстояние между пластинами конденсатора в метрах, равное толщине испытываемого диэлектрика. Для вычисления относительной диэлектрической проницаемости испытываемого диэлектрика измеренная емкость
C сравнивается с расчетной емкостью конденсатора
0
C с теми же геометрическими размерами, но без диэлектрика (среда между пластинами – вакуум с диэлектрической проницаемостью
0
). Величина
dSC0 0
. Отношение емкостей
dSdSCC0 0
0
, т. е. равно относительной диэлектрической проницаемости испытываемого диэлектрика.
Тангенс угла диэлектрических потерь определяется для последовательной схемы замещения конденсатора, состоящей из идеального конденсатора с емкостью
C и,
включенного последовательно с ним, сопротивления
R. При измерении на частоте
CRtg
1
, т. е. тангенс диэлектрических потерь равен отношению активного (
R) и емкостного (
C
1
)сопротивлений цепи. Отсюда можно определить сопротивление R последовательной схемы замещения конденсатора:
CtgR
Перечень аппаратуры Обозначение Наименование
Тип
Параметры
G1
Однофазный источник питания
218
220 В / 16 А
РР1
Измеритель R-L-C
533
Измерение R, L, C при частоте 120 Гц и 1 кГц
А2
Блок конденсатора
2355
Площадь пластин
790 кв. см
Набор образцов диэлектриков
600.20
Образцы диэлектриков размером 285х297 мм
Указания по проведению эксперимента
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых в эксперименте, выключены.
Подключите блок питания 224.1 к блоку «Измеритель R-L-C» (533) и к розетке
«220 В» однофазного источника питания G1 (блок 218) в соответствии со схемой 2.
Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите выключатель
«Измерителя R-L-C» (533).
Выберите:
- вид измеряемого параметра
– емкость
C
(кнопка
«L/C/R»);
- вспомогательный измеряемый параметр – тангенс дельта D (кнопка «Q/D/R»);
- схему замещения элемента – последовательную (кнопка «ПАР/ПОСЛ», «SER» на индикаторе);
- частоту измерения – 120 Гц (кнопка «ЧАСТ»).
Вложите испытываемый образец диэлектрика между пластинами конденсатора и подключите конденсатор к измерителю RLC, как показано на рис. 2. Верхнюю пластину блока конденсатора 2355 необходимо установить примерно по центру нижней пластины с равномерным отступом от краев по всему периметру пластины.
На расстоянии менее 10…15 см от блока конденсаторов 2355 не должно быть посторонних и электропроводных предметов. Недопустима подача напряжения
от внешних источников на вход прибора и пластины блока конденсатора!
Измерьте емкость C и
tg
(D) конденсатора 2355 с диэлектриком.
Вычислите емкость конденсатора без диэлектрика
d
S
C
0 0
. Площадь
S
указана на верхней пластине конденсатора 2355, а расстояние между пластинами
d
равно толщине диэлектрика, указанной на испытываемом образце.
Вычислите относительную диэлектрическую проницаемость испытываемого диэлектрика и сопротивление последовательной схемы замещения
0
Ñ
Ñ
,
C
tg
R
Занесите результаты измерений в табл.1
и повторите измерения для других образцов диэлектриков.
Выключите питание блока G1 (218).
Таблица 1.
Образец
С, пФ
tg
ᵟ
ᵋ
R, Ом
Контрольные вопросы 1. Изобразите схему моста P 525 и поясните принцип измерения tgδ,ε.
2. Объясните характер зависимости tgδ=f(U).
3. Изобразите и объясните векторную диаграмму токов для параллельной схемы замещения диэлектрика. Поясните физическую природу токов.
4. Выведите формулу Р.
5. Нарисуйте зависимость ε и tgδ поливинилхлорида от частоты и температуры и объясните их.
6. Укажите области применения поливинилхлорида и полиэтилена, исходя из электрических свойств.
7. Какими процессами обусловлена диэлектрические потери в диэлектриках в постоянном и переменном электрическом поле?
8. Как изменяются с частотой диэлектрические потери и тангенс угла диэлектрических потерь в полярных диэлектриках?
9. Нарисуйте и объясните зависимость tgδ=f(Т) для неполярных и, полярных диэлектриков.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВОЗДУХА Цель работы – расчѐт и экспериментальное определение пробивного напряжения воздушных промежутков.
Краткие теоретические сведения Значение пробивного напряжения между двумя находящимися в газе электродами и сама картина пробоя сильно зависит не
только от химического состава газа, его давления, температуры и расстояния между электродами, но и от формы и размеров электродов, т.е. картины электрического поля в газовом промежутке.
Если электрическое поле является сравнительно равномерным, то при постепенном повышении напряжения сразу, без предварительных разрядов, возникает пробой всего промежутка между электродами в виде искры.
Если же имеем резко неоднородное поле, то при повышении напряжения разряд в газе может сперва возникать лишь в местах с наиболее высокой напряженностью электрического поля (на заостренных или вообще у мест, где электроды имеют наибольшую кривизну), не распространяясь на весь промежуток между электродами.
Такой разряд, наблюдаемый в виде голубого свечения и сопровождающийся характерным звуком с жужжанием или потрескиванием, называется коронным разрядом.
Возникновение короны связано:
1. с затратой энергии, быстро возрастающей при повышении напряжения;
2. с химическими изменениями газа и объема, в котором наблюдается корона.
При дальнейшем повышении напряжения корона занимает все большее пространство и, наконец, происходит искровой или дуговой разряд между электродами, т.е. полный пробой газового промежутка.
Процесс пробоя газообразных диэлектриков начинается с того, что некоторое
количество свободных электронов (правда, весьма ничтожное), образовавшихся под действием тех или иных внешних ионизаторов, например,
космического излучения, увеличивает свою кинетическую энергию при повышении напряженности электрического поля до момента соударения с молекулой. Если эта энергия достигает значения "порога ионизации" Wn требуемого для ионизации молекулы, т.е. ее разделения на положительный ион и электрон, то может иметь место пробой газа, так как вновь образовавшиеся при ударной ионизации заряженные частицы в свою очередь будут разгоняться электрическим полем и ионизировать другие молекулы. Этот процесс будет развиваться до полного пробоя газового промежутка. Рассмотренный выше процесс пробоя за счет ударной ионизации молекул, как уже отмечено, возможен только при выполнении условия W > Wn Если это условие не выполняется, то возможны:
Захват электрона молекулой газа и поглощение избыточной энергии электрона колебательной системой молекулы без возбуждения последней.
Диссоциация молекулы газа за счет кинетической энергии электрона, если она превышает энергию диссоциации газа. Электрон, потерявший свою энергию, может оказаться присоединенным к одному из атомов, образовавшихся в результате распада молекулы, или остаться свободным.
3. Возбуждение молекулы (атома), если кинетическая энергия электрона превышает энергию возбуждения молекулы или атома.
В первом и частично во втором случае происходит уменьшение числа свободных электронов в объеме газа. Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом захвата электронов п э
Возбуждение молекул оказывает существенное влияние на процесс формирования электрического разряда в газовой среде, поскольку возврат возбужденных молекул в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов. Энергия фотонов может оказаться больше работы выхода электронов с электрода. При этом с поверхности электродов под действием фотонов выделяется дополнительное количество свободных электронов (фотоэффект с поверхности металла). Кроме того, если энергия фотона превосходит энергию ионизации молекулы (особенно возбужденной) газа, то при поглощении этого фотона молекулой газа происходит выделение из молекулы свободного электрона (фотоионизация газа собственным излучением), что является еще одним источником свободных электронов в объеме газа. Свободные электроны, появляющиеся в газе под действием фотонов,
называются вторичными электронами, тогда как вновь образовавшиеся электроны под действием ударной ионизации называются первичными электронами.
Интенсивность их образования характеризуется коэффициентом первичной ионизации αэ, равным числу электронов, освобожденных одним электроном на единицу пути.
Излучение возбужденных молекул часто поглощается газом, что характеризуется коэффициентом поглощения µ
n
. Последний увеличивается с повышением плотности и влажности газа.
Таким образом, при приложении напряжения к электродам в промежутке между ними происходит образование новых свободных электронов, поглощение свободных электронов рекомбинация и излучение возбужденных молекул. Интенсивность этих процессов зависит от коэффициентов αэ, ηэ и µ
п
. Если αэ больше ηэ, то в промежутке между электродами будет быстро увеличиваться число движущихся свободных электронов, называемых лавиной электронов.
Коэффициенты ионизации многих газов а э
незначительно различаются между собой, в то время как коэффициенты захвата n э
различаются весьма сильно. Чем больше разность аэ - г э
, тем больше возникает свободных электронов и тем при меньшей напряженности поля начинается непрерывное увеличение числа электронов в газе. Так,
например, для сухого воздуха отношение начальной напряженности к относительной плотности воздуха
Ен/γr =23.6 кВ/см. Для азота ηэ=0, т.к. молекулы азота не могут присоединять к себе электроны. Поэтому увеличение числа свободных электронов в азоте происходит при меньших
23.6 кВ/см, хотя αэ для азота меньше, чем для воздуха.В элегазе коэффициент ηэ имеет существенно большее значение, чем в вохдухе. Это увеличивает начальную напряженность в элегазе до уровня, при котором
Ен/γr =
89 кВ/см, т.е. электрическая прочность элегаза оказывается больше, чем воздуха.
Общие сведения и описание лабораторной установки Под воздействием электрического поля заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы или другого газа) перемещаются в направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают по длине свободного пробега дополнительную энергию.
Если эта энергия становится больше или равной энергии ионизации газовых молекул то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т.е. расщепление молекулы на электроны и положительные ионы. Освобожденные при этом
«вторичные»
электроны под действием поля, в свою очередь, ионизируют молекулы газа, образуя электронную лавину. При поддержании ионизации электрическим полем разряд становится самостоятельным, не зависящим от внешних ионизаторов.
Пробоем изоляции называют потерю изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением промежутка (
Uпр
). Соответствующая напряженность электрического поля (в однородном поле):
hUEïð
ïð
,
где h – расстояние между электродами. Напряженность поля
Епр называется электрической прочностью газа.
При увеличении расстояния между электродами в однородном поле напряжение возрастает пропорционально расстоянию, тем не менее, реально электрическая прочность
Епр
, не остаѐтся постоянной. При
h = 1…10 см электрическая прочность воздуха составляет примерно 3 кВ/мм, а при
h = 1 мм возрастает до 4,2 кВ/мм (см. рис. 1). Это объясняется трудностью формирования лавинного разряда при малом расстоянии между электродами.
В данной работе рассчитывается пробивное напряжение между электродами при расстояниях между ними 0,2…0,7 мм и делается экспериментальная проверка результатов.
Рис. 1. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между
электродами в однородном поле при f = 50 Гц, t = 20 0
С, p
0,1 МПа
Схема опытной установки приведена на рис. 2.
Электроды с различными воздушными промежутками смонтированы в миниблоки. Они устананвливаются в наборную панель и на них подаѐтся напряжение от мегаомметра.
Рис.2. Схема соединений для пробоя воздушных промежутков
Перечень аппаратуры
Обозначение
Наименование
Тип
Параметры
G1
Однофазный источник питания
218
220 В / 16 А
G2
Блок генераторов напряжений
213.2
+15 B, 0…+13 B,
0…12 B, 12B.
0,2 Гц…200 кГц
А1
Набор миниблоков
600.18 Миниблоки
БЛОК ГЕНЕРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ С НАБОРНЫМ ПОЛЕМ
213 6
.
ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ
СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ
I >
0...12 B
ФОРМА:
Гц
кГц
0,2 Гц...
200 кГц
АМПЛИТУДА
ЧАСТОТА
0,2 A
220 В
+15 B
I >
-15 B I >
I >
0...13 B
ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННЫХ
НАПРЯЖЕНИЙ
+15 B
0...13 В
220 B
218 224.1
8.8.8.
Rx
Rx Ux
Э
+
-
533
G1
G2
РР1
«Электротехнические материалы»
«Пьезоэлектрики» и
«Резистор 1 кОм»
РР1
Мегаомметр Е6-24 3309
Измерение R от 1 до100
ГОм, при напряжении
500,1000 и 2500 В.
Указания по проведению эксперимента
Используя кривую, приведѐнную на рис.1,
рассчитайте пробивное напряжение для каждого расстояния между электродами, смонтированными в миниблоках и занесите результаты в табл. 1.
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых в эксперименте, выключены.
Установите миниблок «Искровые промежутки» с зазорами 0,2, 0,3 и 0,4 мм в наборную панель, и подключите электроды с зазором 0,2 мм к мегаомметру
специальными щупами, входящими в комплект мегаомметра.
ВНИМАНИЕ! ПРИ НАЖАТИИ НА КНОПКУ Rx МЕГАОММЕТРА НА ЕГО ГНЁЗДАХ И ЩУПАХ ФОРМИРУЕТСЯ ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. СНИЖЕНИЕ ЭТОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДО БЕЗОПАСНОГО УРОВНЯ ПРОИСХОДИТ ЧЕРЕЗ 5 СЕКУНД ПОСЛЕ ОТПУСКАНИЯ КНОПКИ.
Подключите блок питания МЕГАОММЕТРА к разъему на НИЖНЕЙ стороне корпуса прибора Е6-24. Вилку блока питания подключите к свободной розетке однофазного источника питания (218).
Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите мегаомметр нажатием кнопки
. После самотестирования прибор перейдѐт в режим измерения напряжения. На его дисплее будет высвечиваться надпись 000 В, поскольку напряжения на электродах миниблока нет.
Переведите прибор в режим, нажав кратковременно кнопку
Rx.
Установите испытательное напряжение 500 в, нажатием кнопки
U-
Rx. При каждом нажатии кнопки происходит смена напряжения
500-1000-2500
В с соответствующей индикацией на экране.
Нажмите и удерживайте кнопку
Rx до установленияв старшем разряде индикатора символа
П – перегрузка, либо до пробоя искрового промежутка (т.е до появления искры между электродами). Если искровой промежуток не был пробит данным напряжением, поставьте в соответствующей ячейке табл. 1 знак «-». В этом случае поставьте знак «-» и во всех последующих ячейках таблицы, соответствующих большему зазору, при данном напряжении.
Если искровой промежуток был пробит данным напряжением, поставьте в соответвующей ячейке таблицы знак «+», переключите щупы к последующему искровому промежутку и попытайтесь его пробить этим напряжением, повторив все действия предыдущего и данного пункта.
Затем увеличьте испытательное напряжения до 1000В и
Наконец, увеличьте испытательное напряжение до 2500 В и снова повторите попытки пробоя тех искровых промежутков, которые не были пробиты.
Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о соответствии или несоответствии их расчѐтам.
Таблица 1
h, мм
Епр
, кВ/мм
Uпр
, В (расчѐт)
Uпр
, В (эксперимент)
500 В
1000 В
2500 В
Скачать 1.28 Mb.