Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Обработка результатов измерений 1. В качестве образцов используются фрагменты коаксильных ра- диокабелей. Для каждого из образцов приводятся расчетные формулы, учитывающие геометрические размеры. В расчетное соотношение доста- точно подставить рассчитанное значение и посчитать где — коэффициент, учитывающий геометрические размеры образца, С х — емкость образца, пФ. 2. Расчет погрешностей измерения и ведется по формулам где √ В лабораторный работе не проводились геометрические размеры образцов, для расчетной формулы они были взяты из каталога кабельной продукции. Поэтому погрешность определения диэлектрической прони- цаемости определяется погрешностью определения Контрольные вопросы 1. Объясните методику проведения эксперимента. 2. Объясните, как изменятся полученные зависимости при измене- нии температуры окружающей среды. 3. Что такое диэлектрическая проницаемость (абсолютная, относи- тельная, диэлектрическая проницаемость вакуума) и какова ее зависи- мость от внешних факторов (температуры, частоты, напряженности электрического поля)? 4. Дайте характеристику быстрых и медленных видов поляризации диэлектриков. 5. Назовите виды диэлектрических потерь в полярных и неполяр- ных диэлектриках. 6. Дайте характеристику исследованных материалов, опишите тех- нологию их получения, основные свойства, области применения. 33 Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Цель работы — изучение стандартных методов определения элек- трической прочности твердых диэлектриков (электроизоляционных ма- териалов) на переменном (частоты 50 Гц) и постоянном токе и определе- ние электрической прочности образцов диэлектриков в зависимости от условий окружающей среды. Домашнее задание Изучите: 1) физические основы и характерные черты явления электрическо- го, электротеплового и электрохимического пробоя твердых ди- электриков; 2) влияние условий окружающей среды при испытании на величи- ну электрической прочности; 3) стандартные методы определения электрической прочности твердых диэлектриков на переменном и постоянном токе и рабо- ту на установке для определения электрической прочности; 4) требования к образцам для определения электрической прочно- сти диэлектриков; 5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформ- ления протокола по работе. Общие положения Электрическая изоляция предназначена для разделения частей электро- и радиооборудования, находящихся под разными потенциала- ми, поэтому одним из основных требований к электроизоляционным ма- териалам является способность выдерживать приложенное напряжение. Известно, что при повышении напряжения до некоторого предельного значения происходит пробой диэлектрика, в результате чего он утрачи- вает свои электроизолирующие свойства (сопротивление изоляции весь- ма резко падает, и между электродами, отделяющихся диэлектриком, происходит короткое замыкание, сопровождающееся значительным воз- растанием тока; напряжение на пробитом диэлектрике снижается прак- тически до нуля). Напряжение , вызвавшее пробой изоляции оборудования или образца электроизоляционного материала, называется пробивным напряжением. В качестве характеристики, оценивающей способность диэлектри- ка противостоять пробою, служит электрическая прочность (пробивная 34 напряженность электрического поля) , связанная с пробивным напря- жением образца толщиной следующим простым соотношением: Вышеприведенная формула справедлива для однородного электри- ческого поля. В случае неоднородного поля будет определено среднее значение электрической прочности. Величина выражается обычно в кВ/мм или МВ/м. В процессе эксплуатации изоляция различного оборудования мо- жет подвергаться действию постоянного напряжения, переменного напряжения низкой и высокой частоты, а также импульсного напряже- ния. Поэтому различают электрическую прочность на постоянном, пере- менном напряжении низкой и высоких частот, а также импульсном напряжении. Задачей настоящей работы является исследование электрической прочности твердых диэлектриков при промышленной частоте (50 Гц). Подобные испытания достаточно часто встречаются на практике. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 1) состоит из высоковольтного ис- пытательного трансформатора ВТ, к вторичной обмотке которого по- средством нижнего заземленного (НЭ) и верхнего (ВЭ) электродов через водяной резистор R, ограничивающий ток при пробое, подключается ис- пытуемый образец ИО (Схема А). При определении электрической проч- ности на постоянном токе в цепь вторичной обмотки ВТ включается вы- соковольтный диод VD и сглаживающий пульсации напряжения высоко- вольтный конденсатор C (Схема В). Трансформатор ВТ, образец ИО и токоведущие части установки, которые во время испытания находятся под высоким потенциалом, раз- мещены в помещении, защищенном заземленным металлическим ограж- дением На двери ограждения смонтирован контакт ДК, который при от- крывании двери отключает установку от сети. Включение установки и проведение испытаний возможно только при закрытой двери огражде- ния. Если дверь закрыта, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа СЛ1, подсвечивая надпись "УСТАНОВКА ВКЛЮЧЕНА". Одновременно подается напряжение на устройство управления СУ электродвигателя, являющегося приводом подвижных контактов автотрансформатора АТ. 35 Рис.1. Принципиальная схема установки для испытания твердых диэлектриков на пробой на переменном (Схема А) и постоянном (Схема Б) напряжениях При замыкании кнопки «Пуск» магнитного пускателя на его об- мотку ОП подается напряжение; контакты КП и блокирующие кнопку Пуск вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются, автотранс- форматор АТ включается в сеть, загорается сигнальная лампа СЛ2 и на пульте высвечивается красный сигнал "ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПО- ДАНО". Замыканием кнопки К включают питание высоковольтного трансформатора ВТ и двигателя ЭД. Напряжение на испытуемом образце ИО автоматически плавно увеличивается со скоростью 500 В/с. В момент пробоя контакты К реле максимального тока ОР размы- каются, питание первичной обмотки высоковольтного трансформатора ВТ отключается, а двигатель ЭД автоматически возвращает подвижные контакты трансформатора АТ в нулевое (начальное) положение, обмотка ОР обесточивается и контакты КР замыкаются. Подача напряжения на образец ИО прерывается, если отжать кнопку К, или нажать кнопку Стоп пускателя, или открыть дверь ограждения. Рабочее задание 1. На переменном напряжении для плоских электродов снимите зави- симость пробивного напряжения для лакоткани от температуры в интервале от комнатной до 100 °С, проведя испытания при пяти температурах; для каждой температуры проведите пять опытов. Рассчитайте среднее значение и среднее квадратическое отклоне- ние электрической прочности для каждой из температур. Постройте график зависимости среднего значения электрической прочности, 36 нанесите минимальные и максимальные значения электрической прочности. 2. На переменном напряжении для плоских электродов снимите зави- симость пробивного напряжения образцов конденсаторной бумаги, различающихся числом слоев (листов). Проведите испытания для образцов с 2, 4, 6, 8, 10 и 12 листами. Для каждого образца прове- дите пять испытаний. На каждом образце проведите не менее пяти пробоев. Рассчитайте средние значения и средние квадратические отклонения для пробивного напряжения и электрической прочно- сти. Постройте графики зависимости средних значений пробивного напряжения и электрической прочности от числа листов образцов. Порядок проведения работы Работа проводится при высоких напряжениях, опасных для жизни, и требует строгого выполнения правил по технике безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типо- вым заданием, приведенным в работе, указаниями преподавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разреше- нию преподавателя. Входить в помещение, защищенное металлическим ограждением можно, лишь выключив выключатель ВЩ на щите. Катего- рически запрещается закрывать дверь ограждения, когда внутри есть люди. Подготовьте образцы лакоткани и конденсаторной бумаги для ис- пытаний. С помощью автоматического микрометра измерьте в пяти ме- стах толщину лакоткани и рассчитайте среднее ее значение. Тол- щину образца конденсаторной бумаги следует вычислять по извест- ной средней толщине одного листа и числу листов в образце. Средняя толщина определяется по средней толщине образца из восьми листов, измеренной в пяти местах с помощью автоматического микрометра. Измерение толщины пакета из восьми листов следует про- водить на участках, где отсутствуют складки и повреждения. Рассмотрим порядок подключения образцов к высоковольтьтной устаноовке. установки смонтирована, и в процессе работы необходимо собрать только высоковольтную часть схемы, находящуюся в помеще- нии. Для измерения температурной зависимости пробивного напряже- ния лакоткани необходимо контакт на водяном резисторе R присоеди- нить к высоковольтному вводу на термостате. Для измерений пробивно- го напряжения образцов конденсаторной бумаги резистор R соединяется с высоковольтным электродом ВЭ. Образец лакоткани размещается между электродами в термостате таким образом, чтобы была возмож- ность проведения пяти измерений при каждой температуре. Образец 37 конденсаторной бумаги помещается на плоскую хромированную по- верхность заземленного нижнего электрода НЭ. Для устранения газовых включений между листами рекомендуется пригладить, притереть листы в образце к электроду. Верхний электрод во избежание перекрытия об- разца по поверхности должен размещаться от края образца и от отвер- стий, образовавшихся при предыдущих пробоях, на расстоянии 20-30 мм, и не должен размещаться на участках образца с ярко выраженными механическими дефектами. При определении измерении пробивного напряжения лакоткани при повышенной температуре следует выдержать образец при требуемой температуре не менее пяти минут. Теперь перейдем к процедуре измерений. Включите щитовой вы- ключатель ВЩ, установите переключатель пределов ПВ вольтметра В на наименьший предел – х1 (всего пределов три: х1, х3 и х5). Кнопкой Пуск пускателя подайте напряжение на автотрансформатора АТ. Кнопкой К включите питание первичной обмотки трансформатора ВТ и при нажа- той кнопке К наблюдайте за увеличением напряжения по вольтметру В. Если при измерении не хватает шкалы прибора – показания зашкалива- ют, то с помощью переключателя ПВ необходимо изменить пределы из- мерения. При обработке результатов измерений не забудьте умножить показания вольтметра на предел измерения. Момент пробоя сопровожда- ется характерным звуком – потрескиванием вблизи образца и резким уменьшением напряжения, фиксируемым вольтметром. В качестве напряжения пробоя следует зафиксировать наибольшее показание воль- тметра В перед моментом пробоя. После пробоя необходимо зафиксировать по вольтметру В напря- жение, равное нулю, нажать кнопку Стоп, разомкнуть выключатель ВЩ, открыть дверь ограждения. Только после выполнения таких операций можно входить в защищенное ограждением помещение и производить перемещения образца или изменять схему включения испытуемого об- разца. Предварительно следует осмотреть образец конденсаторной бума- ги, установив место пробоя (под электродом или на краю), и отметить это в протоколе испытаний. Момент пробоя фиксируется по достижению максимального напряжения на вольтметре, подключенному к первичной обмотке высо- ковольтного трансформатора ВТ. Пробивное напряжение образца, выра- женное в мегавольтах (MB) или киловольтах (кВ), определяется по гра- фику – «градуировочной прямой», связывающей напряжения на вторич- ной и первичной обмотках трансформатора ВТ. Обработка результатов измерений Электрическая прочность (МВ/м или кВ/мм) образца толщи- ной рассчитывается по экспериментально найденному значению про- бивного напряжения (MB или кВ) по формуле 38 Среднее значение пробивного напряжения и среднее квадра- тическое отклонение для измерений рассчитываются как √ ∑( ) Контрольные вопросы 1. Что такое электрическая прочность диэлектриков? 2. Каковы физические основы явления пробоя твердых диэлектри- ков? 3. Приведите характерные черты электрического и электротеплово- го пробоев? 4. Почему в электрическом поле диэлектрик "стареет"? 5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляци- онного материала) является случайной величиной? 6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности? 7. Объясните принцип работы установки для определения пробив- ных напряжений образцов твердых диэлектриков. 8. Почему определение электрической прочности стандартизовано? 9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей. 39 Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ Цель работы — определение и исследование электрической проч- ности композиционных (слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты. Общие положения Для экспериментального исследования пробоя используют элек- троды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испы- тания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однород- ность поля обеспечивается обычно путем придания поверхности элек- тродов определенной формы, например сферической с радиусом R, зна- чительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками, или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эк- випотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электри- ческого поля в средней части между электродами. Приблизительно од- нородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подверг- нуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя твердых диэлектриков исследования проводят в однородном и неоднородном электрическом полях. Для получения неоднородного поля используют электроды типа острие острие или острие плоскость. Зна- чение напряжения пробоя U пр в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значения напряженности поля E ср = U пр /h вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Некото- рые образцы электродов, применяемых для получения однородного и не- однородного электрических полей, приведены на рис. 1. В данной лабораторной работе для исследования влияния формы электрода на пробой твердых диэлектриков используются четыре типа электродов: плоскость плоскость (верхний электрод — торец цилиндра, представляющий собой плоскость с закругленными краями); сферы большого и малого радиуса — плоскость (верхние электроды аналогич- ны 1 и 2 на рис. 1); острие — плоскость (4 на рис. 1). 40 Рис. 1. Образцы электродов для испытаний на пробой в однородном и неодно- родном электрических полях: 1 — электроды Роговского; 2 — сферические; 3 — полусферические выемки; 4 — острие против плоскости; 5 — два острия; 6 — коническое углубление против плоско- сти Для оценки результата эксперимента необходимо оценивать форму пробоя диэлектрика. Поэтому напомним, что наиболее вероятны три формы пробоя: электрическая, электротепловая (тепловая), электрохи- мическая. Возможен также пробой смешанного типа или иные формы пробоя, например электромеханическая, электротермомеханическая и др. Наиболее часто в диэлектриках встречается тепловой пробой, воз- никающий, если необратимое увеличение диэлектрических потерь при- водит к нарушению теплового равновесия диэлектрика. При тепловой форме пробоя пробивное напряжение уменьшается: с ростом температуры из-за увеличения активной проводимости и ди- электрических потерь; при увеличении времени приложения напряже- ния, так как электротепловые процессы, связанные с разогревом диэлек- трика, требуют определенного времени; при увеличении частоты элек- трического поля из-за роста диэлектрических потерь, пропорциональных квадрату частоты. Электрическая прочность, характеризуемая E пр , уменьшается (U пр растет нелинейно) при увеличении толщины диэлек- трика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев диэлектрика. Пробой диэлектрика происходит в месте наиболее плохой теплоотдачи в окружающую среду, т.е. в случае диэлектрика в виде пластины пробой происходит в центре диэлектрика. Время развития теплового пробоя около 10 –2 10 –3 с, а E пр около 10 МВ/м. Электрический пробой связан с внутренним строением диэлек- трика и обусловливается ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами и происходит за время 10 –5 10 –8 с. Напряженность E пр практически не зависит от температуры, часто- ты приложенного напряжения, геометрических размеров образца, вплоть до толщин порядка 10 –4 10 –5 см. По сравнению с воздухом, у которого E пр 3 МВ/м, и тщательно очищенными жидкими диэлектриками, име- ющими E пр до 10 2 МВ/м, пробой твердых диэлектриков наступает при E пр , достигающей значений 10 2 10 3 МВ/м. При толщине образца менее |