Методические указания к лабораторным работам по курсу «электротехнические материалы» для студентов ІІ курса дневной и заочной форм обучения специальностей 090. 603, 090. 605, 0922. 02

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

К печати разрешаю

Первый проректор

Г.В.Стадник

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

для студентов ІІ курса дневной

и заочной форм обучения

специальностей 7.090.603, 7.090.605, 7.0922.02

Рассмотрено кафедрой

Протокол №1 от 20.08.2001г.

Харьков 2001

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Электротехнические материалы» для студентов ІІ курса дневной и заочной форм обучения специальностей 7.090.603, 7.090.605, 7.0922.02/ Сост. Е.Д.Дьяков, - Харьков: ХГАГХ, 2001, - 48с.

Составитель: ДЬЯКОВ Евгений Дмитриевич

Ответственный за выпуск В.Ф.Рой

Редактор Н.З. Алябьев

План 2001, поз.252

_____________________________________________________________

Подп. к печ. . Формат 60х84 1/16. Бумага офисная

Печать офсетная. Усл. печ. л. 3, 02.. Уч.-изд.л. 2,78. Зак. №

Тираж 100 экз. Цена договорная

_____________________________________________________________

ХГАГХ. 61002, Харьков, ул. Революции, 12.

Сектор оперативной полиграфии ИВЦ ХГАГХ

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1.1. Цель работы

Изучить методики определений объемного и удельного поверхностного сопротивлений и провести экспериментальные исследования зависимости данных параметров от внешних факторов для различных образцов твердых диэлектриков.

1.2.Общие положения

Следует знать, что все практически применяемые электроизоляционные материалы под действием приложенного постоянного напряжения пропускают некоторый (обычно весьма незначительный) ток, называемый током утечки. Данный ток можно представить в виде двух составляющих.

Переменная составляющая, изменяющаяся во времени по экспоненциальному закону, называется током абсорбции и обусловлена процессами поляризации, происходящими в диэлектрике.

Постоянная составляющая тока утечки называется сквозным током диэлектрика и, в свою очередь, может быть представлена в виде двух составляющих: поверхностного и объемного токов.

Поверхностный ток обусловлен наличием тонкого электропроводящего слоя влаги с растворенными в нем веществами, образующегося вследствие соприкосновения образца с окружающей средой.

Объемный ток представляет собой ток, протекающий непосредственно через объем диэлектрика.

Этим двум составляющим соответствуют два сопротивления: поверхностное электрическое сопротивление диэлектрика RS
и объемное электрическое сопротивление диэлектрика RV
. Величины, обратные объемному и поверхностному сопротивлениям, называются соответственно объемной и поверхностной проводимостью.

Объемное и поверхностное сопротивления зависят как от материала диэлектрика, так и от его геометрических размеров.

Для сравнения качества различных диэлектриков пользуются величинами удельных сопротивлений.

Удельное объёмное сопротивление в системе СИ численно равно сопротивлению куба материала с ребром в один метр, измеренному при постоянном напряжении, когда ток проходит от одной грани куба к другой.

Для образца с постоянным поперечным сечением, равным площади электродов, удельное объемное сопротивление определяется по формуле

(1.1)

где Rv
- объемное сопротивление образца диэлектрика, Ом;

S – площадь измерительного электрода, м2
;

h - толщина диэлектрика, м.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата, измеренному при постоянном напряжении, когда ток проходит от одной грани квадрата к другой.

Для участка диэлектрика расположенного между параллельными друг другу электродами, удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле

, (1.2)

где Rs –поверхностное сопротивление образца диэлектрика, Ом;

b - длина электрода, м;

a - расстояние между электродами, м.

При использовании для измерения Rs электродов в виде двух коаксиальных цилиндров формула для определения имеет вид

, (1.3)

где Rs
– поверхностное сопротивление образца диэлектрика, Ом;

D – внутренний диаметр кольцевого электрода, м;

d - диаметр измерительного электрода, м.

Под влиянием различных внешних факторов величины удельных сопротивлений могут существенно изменятся. Так, при повышении температуры удельное объемное сопротивление твердых и жидких диэлектриков, как правило, уменьшается по экспоненциальному закону

(1.4)

где - удельное объемное сопротивление при температуре окружающей среды, Ом×м;

a - температурный коэффициент удельного сопротивления, °С-1
;

t - температура °С.

Уменьшение сопротивления диэлектриков при их нагревании обусловлено ослаблением молекулярных связей и уменьшением вязкости вещества. Кроме того, вследствие температурной диссоциации молекул увеличивается концентрация ионов и растет их подвижность.

Однако, в некоторых случаях с увеличением температуры сопротивление диэлектрика в определенном диапазоне температур может возрастать. Данное явление наблюдается, например, для электроизоляционных смол при их полимеризации и связанном с этим процессом значительным повышением вязкости.

Существенное влияние на величину сопротивления оказывает влажность окружающей среды в связи с тем, что большинство диэлектриков способны поглощать влагу из воздуха, содержащего водяные пары. Наличие влаги в диэлектрике резко уменьшает его сопротивление, так как вода способствует диссоциации на ионы молекул самого вещества и, кроме того, имеющиеся в воде примеси также диссоциируют на ионы.

При нагреве до высоких температур диэлектрики, содержащие воду, теряют ее, в результате чего их сопротивление увеличивается.

На величину сопротивления диэлектрика влияет также значение приложенного напряжения. При увеличении напряжения сопротивление диэлектриков, как правило, уменьшается. Исключение составляет высококачественные диэлектрики, у которых сопротивление при увеличении напряжения остается практически неизменным. Причинами уменьшения сопротивления могут являться возникновение объемных зарядов в диэлектрике, перераспределения влаги в порах диэлектрика или возникновение дополнительной электропроводности в результате вырывания электронов силами поля из частиц диэлектрика.

1.3.Приборы и оборудование

Для определения сопротивления образца диэлектрика применяют прямой или косвенный метод измерения. Прямой метод измерения основан на использовании приборов, которые позволяют производить отсчет измеряемого сопротивления непосредственно по шкале прибора. В качестве таких приборов могут быть использованы электронные омметры (мегаомметры, тераоометры) или мосты постоянного тока следующих марок: Е6-13А, ЕК6-7, Е6-14, Е6-17, Ф4101, Р4053, Р4060, Р4056.

При косвенных измерения значение сопротивления определяют расчетным путем по результатам измерения тока, протекающего в образце при фиксированном напряжении, или измеряя падение напряжения на образце при известном токе в нем. Для измерения тока и напряжений применяют чувствительные магнитоэлектрические или электростатические приборы с электронными или фотогальванометрическими усилителями.

В лабораторной работе для испытаний материалов используется метод непосредственного измерения электрического сопротивления.

Определение сопротивлений производится на плоских образцах электроизоляционных материалов. Для испытаний используется система из трех электродов: измерительного, напряжения (высоковольтного) и охранного. Два электрода имеют цилиндрическую форму, третий выполнен в виде кольца. В зависимости от измеряемой величины одни и те же электроды могут выполнять различные функции.

На рис. 1.1 показаны схемы подключения измеряемых образцов для определения сопротивлений: объемного (рис. 1.1,а), и поверхностного (рис. 1.1,б). Схемы содержат: высоковольтный электрод 1; образец диэлектрика 2; охранное кольцо 3; измерительный электрод 4.

Применение для измерений системы из трех электродов позволяет разделить объемные и поверхностные токи. В схеме (рис. 1.1,а) заземление охранного электрода позволяет исключить влияние поверхностного тока на результат измерения. Аналогичным образом заземление высоковольтного электрода в схеме (рис. 1.1,б) исключает влияние на результат измерения объемного тока. Электроды расположены в термошкафу, который снабжен защитной блокировкой. Температура внутри шкафа измеряется термометром.

а)

б)

Рис.1.1. Схемы измерения сопротивления диэлектриков

1.4.Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для определения объемного сопротивления в соответствии с рис. 1.1,а. Штекер «Э» прибора Е6-17 должен быть заземлен.

2. В присутствии преподавателя включить питание измерительного прибора. Продолжительность времени установления рабочего режима прибора 15 мин.

3. Измерить и записать в табл. 1.1 параметры охранного кольца, измерительного электрода и исследуемых образцов диэлектриков.

Таблица 1.1

Параметры исследуемых образцов диэлектрика и основные размеры электродов

Наименование диэлектрика	h, м	Измерительный электрод		Охранное кольцо
d, м	S, м2	D, м

4.Установить переключатель поддиапазонов в положение

«1 МОм».

5.Произвести проверку состояния электрического нуля прибора. Для этого отключить коаксиальный штекер кабеля от коаксиального гнезда прибора и нажать на кнопку «Измерение». Если при этом наблюдается отклонение стрелки прибора от нулевого значения, необходимо осуществить корректировку с помощью ручки >0<.

После корректировки отпустить кнопку «Измерение» и подключить коаксиальный штекер к соответствующему гнезду прибора.

6. Расположить один из образцов исследуемых диэлектриков между электродами.

7. Нажать на кнопку «Измерение» и определить значение сопротивления измеряемого диэлектрика. При незначительном отклонении стрелки прибора от значения «» отпустить кнопку «Измерение» и переключить поддиапазон измерения. В зависимости от выбранного поддиапазона измерения отсчет проводится по соответствующей шкале прибора после достижения измеряемой величины установившегося значения. Результаты измерения записать в табл. 1.2. По окончании измерения переключатель поддиапазонов переключить в положение «1 МОм».

Таблица 1.2

Результаты экспериментальных исследований сопротивлений твердых диэлектриков

Наименование диэлектрика

Т, °С

RV , Ом

RS , Ом

Ом×м

Ом

8. Произвести измерение объемного сопротивления остальных образцов твердых диэлектриков согласно методике, изложенной в п.п. 6-7. Результаты измерений записать в табл. 1.2.

9. В присутствии преподавателя собрать схему для измерения поверхностного сопротивления исследуемых диэлектриков в соответствии с рис. 1.1б.

10. Произвести измерение поверхностного сопротивления твердых диэлектриков. Результаты измерения записать в табл. 1.2.

11. Измерить с помощью термометра температуру в помещении. Результат измерения записать в табл. 1.2.

12. Определить зависимость поверхностного и объемного сопротивлений от температуры. Для этого по указанию преподавателя один из образцов диэлектриков поместить в термостат и при трех-четырех значениях температуры измерить значения поверхностного и объемного сопротивлений диэлектрика. Результаты измерений записать в табл. 1.2.

13. Провести расчет удельных объемных и удельных поверхно-стных сопротивлений исследуемых диэлектриков, используя формулы (1.1), (1.3). Результаты расчета записать в табл. 1.2.

14. Построить графики зависимости удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений от температуры:

и

15. Полученные расчетные значения удельных сопротивлений сравнить по справочным данным.

16. Составить отчет о работе, который должен содержать формулировку цели работы, принципиальные электрические схемы измерений сопротивлений, заполненные табл. 1.1, 1.2, графики зависимостей , и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «диэлектрик» и приведите конкретные примеры твердых, жидких и газообразных диэлектриков.

2. Объясните электрические схемы для измерения объемного и поверхностного сопротивлений твердых диэлектриков.

3. Укажите факторы, которые оказывают влияние на величину объемного сопротивления.

4. Объясните физическую сущность процесса электропроводности диэлектриков.

5. Перечислите параметры, характеризующие электропроводность диэлектриков.

6. Назовите токи, которые протекают через диэлектрик, находящийся в переменном и постоянном электрических полях.

7. Объясните причину измерения сопротивления диэлектрика через одну минуту после подачи напряжения на образец.

8. Укажите факторы, которые оказывают влияние на величину поверхностного сопротивления.

9. Объясните механизм электропроводности в жидких диэлектриках.

10. Укажите причины, в связи, с которыми измерение сопротивлений диэлектриков производится на постоянном напряжении.

11. Объясните механизм электропроводности в газообразных диэлектриках.

Л и т е р а т у р а : [1, с. 30-43; 2]

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ЧАСТОТАХ

2.1. Цель работы

Изучить методику экспериментального определения относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, мощности, рассеиваемой в диэлектрике, и провести исследование зависимости данных параметров от внешних факторов.

2.2. Общие положения

Следует знать, что относительная диэлектрическая проницаемость характеризует свойство диэлектриков поляризоваться в электрическом поле. Данный параметр является количественной характеристикой процесса поляризации.

Величина относительной диэлектрической проницаемости показывает, во сколько раз при неизменном напряжении увеличивается емкость или заряд конденсатора заданных геометрических размеров при замене вакуума между обкладками конденсатора данным диэлектриком.

Относительную диэлектрическую проницаемость определяют по формуле

(2.1)

где Q0
- заряд конденсатора в случае, когда между его пластинами находится вакуум;

Qд
- заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика.

Из формулы (2.1) следует, что диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только для вакуума. Для твердых диэлектриков er
может иметь различные числовые значения в связи с разнообразием их структур, обладающих различными видами поляризации.

Относительная диэлектрическая проницаемость плоского диэлектрика, помещенного между круглыми электродами,

,
(2.2)

где Cд
- емкость конденсатора с данным диэлектриком, Ф;

h - толщина диэлектрика, м;

S - площадь электрода, м2
;

- электрическая постоянная, e0
=8,854×10-12

Ф/м.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость равна произведению относительной диэлектрической проницаемости на электрическую постоянную:

.

Характер влияния температуры на относительную диэлектрическую проницаемость определяется видом поляризации, присущим данному диэлектрику. Так, для материалов с электронной поляризацией относительная диэлектрическая проницаемость практически не зависит от температуры. Для материалов с ионной поляризацией при повышении температуры относительная диэлектрическая проницаемость возрастает в следствие уменьшения сил взаимодействия между ионами кристаллической решетки.

Материалы с дипольно-релаксиционным механизмом поляризации при нагреве имеют более сложный характер изменения относительной диэлектрической проницаемости, вследствие уменьшения вязкости материала, относительная диэлектрическая проницаемость возрастает, а затем уменьшается из-за усиливающегося теплового хаотического движения молекул.

Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжениях. Диэлектрические потери при постоянном напряжении обусловлены, в основном, током сквозной проводимости, так как время протекания зарядного и абсорбцирнных токов после включения напряжения незначительно. При переменном напряжении через диэлектрик протекают, периодически изменяясь, не только ток сквозной проводимости, но также ток абсорбции и ток смещения. По своей величине ток абсорбции может превосходить ток сквозной проводимости и ток смещения. В связи с этим диэлектрические потери при переменном напряжении в основном обусловлены токами абсорбции, которые являются средствами поляризационных процессов в диэлектрике.

При высоких напряжения дополнительные диэлектрические потери возникают вследствие ионизации воздушных включений в диэлектрике. Кроме того, на величину диэлектрических потерь оказывает влияние неоднородность структуры диэлектрика.

Различают полные и удельные диэлектрические потери. Полные диэлектрические потери - это активная мощность, рассеиваемая во всем объеме диэлектрика.

Полные диэлектрические потери при переменном напряжении

,
(2.3)

где U - рабочее напряжение, В;

w - угловая частота, с-1
;

C - емкость конденсатора с данным диэлектриком, Ф;

tgd - тангенс угла диэлектрических потерь.

Выражение для определения удельных диэлектрических потерь имеет вид

, (2.4)

где p – удельные потери, Вт/м3
;

Е - напряженность электрического поля, В/м.

Для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле можно использовать угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи.

Значение tgd для различных диэлектрических изменяется в широких пределах (от 0,00001 до 0,3).

Характер влияния температуры на тангенс угла диэлектрических потерь определяется составом и структурой материала.

Для неполярных диэлектриков характерно увеличение tgd при повышении температуры, так как увеличивается электропроводность диэлектрика, а относительная диэлектрическая проницаемость практически не изменяется.

Зависимость tgd от температуры для полярных диэлектриков имеет более сложный характер, так как при повышении температуры одновременно с увеличением потерь на электропроводность происходить нелинейное изменение потерь на поляризацию.

Существенное влияние на величину tgd оказывают также частота приложенного напряжения и его величина.

2.3. Приборы и оборудование

Определение емкости и tgd различных диэлектриков производится с помощью прибора Е7-11, принцип работы которого основан на использовании мостового метода измерения. Принципиальная электрическая схема прибора приведена на рис. 2.1. На схеме показан измерительный электрод 1, охранное кольцо 2, образец диэлектрика 3, высоковольтный электрод 4.

В первое плечо измерительного моста, между вершинами I и II, включается конденсатор, емкость которого необходимо измерить. В данной работе – это плоский конденсатор, обкладки которого представляют собой два электрода цилиндрической формы. Диэлектриком служит плоский образец той или иной толщины. Для уменьшения погрешности измерения используется третий электрод – охранное кольцо, которое заземляется с целью отвода поверхностных токов на землю.

Рис. 2.1. Принципиальная схема для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь

Второе плечо измерительного моста, находящееся между вершинами II и III, разделено на семь поддиапазонов от 1 Ом до 1 Мом. Смена поддиапазонов осуществляется переключателем "Пределы".

Третье плечо, между вершинами III и IV, состоит из последовательно включенных декадного механизма сопротивлений и одного переменного резистора, условно показанных на схеме (рис. .2.1) в виде одного сопротивления R3
. На лицевой панели прибора этим плечом является устройство "Множитель".

Четвертое плечо, находящееся между вершинами I и IУ, состоит из образцового конденсатора Со
и переменного резистора R4
, компенсирующего потери в измеряемом конденсаторе. Сопротивление R4
отградуировано в величинах тангенса диэлектрических потерь и установлено на лицевой панели прибора.

Питание на диагональ I - III может подаваться как от генератора, установленного в приборе, так и от внешнего генератора. К диагонали II - IУ подключен индикатор баланса измерительной схемы.

При равновесии моста выполняются условия:

; . (2.5)

Таким образом, емкость измеряемого конденсатора Сх
и tgd определяется через известные величины измерительного моста. Для непосредственного отсчета по шкалам прибора сопротивление R2
и R3
градуируются в значениях емкости, а сопротивление R4
- в значениях tgd.

2.4. Порядок выполнения работы

1.Подключить электроды, используемые для измерений, к соединительным кабелям прибора в соответствии со схемой (рис. 2.1).

2.Установить органы управления прибора следующим образом:

переключатель «L, C, R» в положение «С»;

переключатель «Q<05, Q>0,5, tgd» в положение «tgd»;

переключатель «Частота» в положение, соответствующее частоте, на которой предполагается производить измерения;

переключатель «Пределы» в крайнее правое положение;

шкалу «tgd» на нулевое значение.

3. В присутствии преподавателя включить измерительный прибор. Время прогрева прибора15 мин.

4. Измерить и записать в табл. 2.1 параметры исследуемых образцов и измерительного электрода.

Т а б л и ц а 2.1

Параметры исследуемых образцов диэлектрика и измерительного электрода

Наименование	h,	Измерительный электрод
диэлектрика	м	d, м	S, м2

5. Разместить один из исследуемых образцов между электродами.

6. Произвести выбор предела измерения. Для этого на шкале «Множитель» установить значение 1,090. Ручку «Чувствительность» перевести в положение, соответствующее 70 делениям на индикаторе разбаланса. Нажать кнопку «Выбор предела», и вращением переключателя «Пределы» влево изменять установленный предел до тех пор, пока знак фазы напряжения разбаланса на индикаторе прибора не изменится на противоположный. Определив предел, на котором будут производится измерения, необходимо отпустить кнопку «Выбор предела».

7.Произвести уравновешивание моста. Для этого, постепенно изменяя показания шкалы переключателей «Множитель», добиться минимального отклонения индикатора разбаланса от нулевого значения. Затем перейти к уравновешиванию моста по потерям.

Регулировка производится при постепенном увеличении чувствительности до тех пор, пока любое измерение рукояток «Множитель» и «tgd» приводит к увеличению показаний индикатора разбаланса.

8. Произвести отсчет результата измерения. Измеренная величина емкости равна отсчету по шкале «Множитель», умноженному на значение емкости, указанное в таблице (расположенной на передней панели прибора), для соответствующего положения переключателя «Пределы».

При измерении емкости на частоте 100 Гц отсчет результата измерения должен быть увеличен в 10 раз.

Измеренная величина тангенса угла диэлектрических потерь отсчитывается непосредственно по шкале «tgd».

9.Результаты измерений записать в табл. 2.2.

10. С помощью термометра определить температуру окружающей среды. Результаты измерения записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Результаты экспериментальных и расчетных значений

Наименование диэлектрика

T, °C

Cx

er

tgd

Р, Вт

11.Ручку «Чувствительность» установить в крайнее левое положение и в присутствии преподавателя заменить образец диэлектрика. Провести измерения емкости и tgd установленного образца в соответствии с методикой, изложенной в п.п. 2-9.

12.Определить зависимость относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. Для этого один из образцов исследуемых диэлектриков (по указанию преподавателя) разместить в термостате и произвести измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь для трех-четырех значений температуры.

13. Определить относительную диэлектрическую проницаемость исследуемых диэлектриков, использую формулу (2.2). Результаты расчета записать в табл. 2.2.

14. Построить графики зависимостей относительной диэлектрической проницаемости от температуры и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры .

15. Определить мощность, рассеиваемую в исследуемых диэлектриках, используя формулу (2.3). Результаты расчета записать в табл. 2.2.

16. Составить отчет о работе, который должен содержать формулировку цели работы, принципиальную электрическую схему, используемую при измерениях, заполненные табл. 2.1 и 2.2, графики зависимостей , и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните физическую сущность процесса поляризации ди-электриков.

2. Назовите основные виды поляризации диэлектриков.

3. Дайте определение относительной диэлектрической проницаемости и приведите конкретные значения данного параметра для различных диэлектриков.

4. Укажите факторы, которые оказывают влияние на величину относительной диэлектрической проницаемости, и приведите примеры таких зависимостей.

5. Назовите основные параметры, характеризующие диэлектрические потери.

6. Приведите электрические схемы замещения, используемые для определения диэлектрических потерь, и постройте их векторные диаграммы.

7. Назовите основные виды диэлектрических потерь.

8. Укажите внешние факторы, которые оказывают влияние на величину диэлектрических потерь.

9. Приведите конкретные примеры зависимости диэлектрических потерь от внешних факторов для различных диэлектриков.

10. Опишите принцип работы электрической схемы экспериментальной установки.

Литература [1, с. 43-58; 2, с. 200-211].

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1.Цель работы

Изучить принцип действия и конструкцию приборов для определения вязкости жидких диэлектриков, освоить методику определения динамической, кинематической и условной вязкостей.

3.2. Общие положения

Следует знать, что для жидких диэлектриков (электроизоляционных масел, лаков, пропиточных компаундов и подобных им материалов) вязкость является одной из характеристик, с помощью которой оцениваются их технологические и эксплуатационные свойства. Вязкость – это свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

При ламинарном течении среды вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев среды относительно друг друга возникает сила противодействия – напряжение сдвига, которое для обычных сред пропорционально скорости относительного сдвига слоев.

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости, или динамической вязкостью. Измеряют динамическую вязкость в паскаль-секундах.

Паскаль-секунда (Па×с) – это динамическая вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии 1 м, в направлении, перпендикулярном течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с. В практике испытаний применяется и другая единица вязкости – пуаз (П); 1 П = 0,1 Па×с.

Измерение динамической вязкости производится на основе закона Стокса или закона Пуазейля.

Кроме динамической вязкости используется также кинематическая и условная вязкость.

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости жидкости h (Па×с) к ее плотности r (кг/м3
):

(3.1)

На практике кинематическую вязкость иногда измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).

1 Ст = 10-4
м2
/с;

1 сСт = 10-2
Ст.

Кинематическая вязкость воды при 20 °С примерно равна 1 сСт. При этой температуре динамическая вязкость воды составляет 0,001 Па×с.

Вязкость условная (ВУ) – характеристика, получаемая при определенной методике испытания. Она связана с динамической и кинематической вязкостью эмпирическими соотношениями.

Условная вязкость, измеряемая в градусах Энглера (°Е), представляет собой отношение времени истечения 200 мл электроизоляционной жидкости при заданной температуре к времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 °С.

Время истечения 200 мл воды при 20 °С называется постоянной прибора. Она равна 50-52 с.

, (3.2)

где t - время истечения 200 мл исследуемой жидкости при заданной температуре, с;

tпр
- постоянная прибора; для прибора, используемого в данной лабораторной работе tпр
=50 с.

От условной вязкости к кинематической можно перейти, используя график (рис. 3.1). При n>50 сСт переход от одной системы к другой производится по формуле

ВУ = 0,135 n.

Для измерения вязкости используются специальные приборы – вискозиметры. По своему устройству вискозиметры делятся на капилярные, ротационные и ультразвуковые.

Рис. 3.1. График перехода от условной вязкости к кинематической вязкости

3.3.Приборы и оборудование

В качестве жидкого диэлектрика в лабораторной работе используются трансформаторные масла, широко применяемы в электротехнической промышленности. Масла, используемые в трансформаторах, выполняют следующие функции: повышают электроизолирующие свойства твердой изоляции обмоточных проводов, а также способствуют отводу тепла от обмоток и магнитопровода к охлаждаемым стенкам бака. В масляных выключателях масло обеспечивает гашение электрической дуги и уменьшает трение в механических узлах выключателя.

Для определения условной вязкости трансформаторного масла используется универсальный вискозиметр Энглера (рис.3.2)

Рис. 3.2. Универсальный вискозиметр

Жидкий диэлектрик заливается в латунный стакан 10, который находится внутри латунного сосуда 12, служащего водяной или масляной баней. В крышке 8 сосуда 10 имеется два отверстия: отверстие 6 для термометра и отверстие 7 для деревянного или фибрового конусного стержня 4. Стержень 4 своим острием закрывает вход вертикального отверстия 3 – цилиндрического канала длиной 20 мм и диаметром 2,8 мм. Под отверстие 3 подставляется мерная колба 1, имеющая отметку, соответствующую объему 200 мл.

Внутри сосуда 10 имеются три указателя 11, верхние концы которых должны одновременно касаться уровня залитой в сосуд жидкости. Это дает возможность проверить горизонтальность установки прибора. Регулировку горизонтальности прибора осуществляют при помощи двух установочных винтов 14 штатива 13.

Жидкость в сосуде 12 подогревают при помощи электронагревателя 2 и перемешивают мешалкой 9. Контроль за температурой бани осуществляется с помощью термометра 5, укрепленного в зажиме.

Для определения вязкости можно использовать и более простой по конструкции вискозиметр ВЗ-4, позволяющий определить вязкость жидкого диэлектрика, не подогревая его. Вискозиметр ВЗ-4 (рис. 3.3) состоит из сосуда 1, в конусном дне которого имеется сточное отверстие Æ4 мм, закрываемое стержнем 2. Сосуд 1 укреплен на штативе 5 с помощью держателя 3. Вискозиметр вмещает 100 мл испытуемой жидкости, вязкость которой определяется временем истечения этого количества жидкости из сосуда 1.

Рис. 3.3 Вискозиметр ВЗ-4

3.4.Порядок выполнения работы

1.Снять крышку 8 (рис. 3.2) сосуда 10 и закрыть вертикальное отверстие 3 стержнем 4.

2.В сосуд 10 залить испытуемый диэлектрик до касания с тремя верхними концами указателей уровня 11. При необходимости отрегулировать горизонтальность установки прибора установочными винтами 14 штатива 13.

3.Закрыть сосуд 10 крышкой 8 и установить термометр в отверстие 6.

4.Залить в сосуд 12 необходимое количество воды и установить термометр 5.

5.Включить электронагреватель 2 и нагреть воду в сосуде 12 до заданной температуры.

6.Выключить электронагреватель и, перемешивая воду мешал

кой 9, выдержать при достигнутой температуре жидкость в течение 5 мин. При этом температура воды в сосуде 12 не должна превышать температуру диэлектрика более чем на 1 °С.

7.Записать температуру диэлектрика Т в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Результаты экспериментальных исследований

Наименование диэлектрика

Температура диэлектрика Т, °С

Время истечения t, c

ВУ, °Е

n, сСт

8.Вынуть стержень 4 и одновременно пустить в ход секундомер. В тот момент, когда уровень диэлектрика дойдет до отметки 200 мл на мерной колбе, секундомер остановить.

9.Записать время истечения диэлектрика t в табл. 3.1.

10.Повторить опыт, описанный в пп. 2-9, и определить время истечения 200 мл исследуемого диэлектрика при температурах, указанных преподавателем. Результаты измерений занести в табл. 3.1.

11.Определить условную вязкость в градусах Энглера исследуемого диэлектрика. Результаты расчета занести в табл. 3.1

12.Определить кинематическую вязкость жидкости n в зависимости от величины условной вязкости и записать ее величину в табл. 3.1.

13.Построить график зависимости условной вязкости исследуемого диэлектрика от температуры: ВУ=f(T).

14.Определить динамическую вязкость исследуемого диэлектрика при температуре 20 °С, используя формулу (3.1).

15.Составить отчет о работе, который должен содержать формулировку цели работы, рисунок вискозиметра, заполненную табл. 3.1, график зависимости ВУ=f(T), выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Виды вязкости жидкостей.

2.Перечислите приборы, с помощью которых определяется вязкость жидких диэлектриков.

3.Дайте определение динамической вязкости.

4.Дайте определение кинематической вязкости.

5.Дайте определение условной вязкости.

6.Объясните влияние температуры на вязкость жидких диэлектриков.

7.Опишите конструкцию универсального вискозиметра Энглера.

8.Дайте определение понятия «постоянная прибора».

9.Опишите методику измерения условной вязкости с помощью вискозиметра Энглера.

10.Объясните назначение трансформаторных масел

Л и т е р а т у р а : [1, с. 78-80].

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Цель работы

Изучить методику определения основных характеристик магнитных материалов и провести исследования процессов намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков в переменном магнитном поле.

4.2.Общие положения

Следует знать, что основная причина магнитных свойств вещества – внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.

Особые свойства ферромагнетиков обусловлены их доменным строением. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствии внешнего магнитного поля.

Основные характеристики, определяющие поведение ферромагнитных материалов в магнитном поле: основная кривая намагничивания, максимальное значение индукции Bm

, остаточная индукция Br

, коэрцитивная сила Нс

, удельные потери, магнитная проницаемость и ее зависимость от напряженности магнитного поля и температуры.

Зависимость магнитной индукции предварительно размагниченного ферромагнетика от напряженности магнитного поля, полученную при монотонном увеличении напряженности, называют начальной кривой намагничивания.

При циклическом перемагничивании изменение состояния ферромагнетика характеризуется явлением гистерезиса, при котором наблюдается отставание индукции от напряженности поля. Изменяя амплитудное значение напряженности внешнего поля, можно получить семейство петлей гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при индукции насыщений, называют предельной. При дальнейшем увеличении напряженности поля площадь гистерезисной петли остается неизменной. Совокупность вершин петель гистерезиса образуют основную кривую намагничивания ферромагнетика.

Напряженность размагничивающегося поля (-Нс

), при которой индукция в ферромагнетике, предварительно намагниченном до насыщения, обращается в нуль, называется коэрцитивной силой.

Значение индукции при напряженности внешнего магнитного поля равной нулю, полученное в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией (Вr

).

По кривой намагничивания можно определить параметр, характеризующий поведение ферромагнетика во внешнем магнитном поле, – так называемую относительную магнитную проницаемость:

(4.1)

где m0
- магнитная постоянная, m0
= 4p10-7
Гн/м.

Относительная магнитная проницаемость пропорциональна тангенсу угла наклонной секущей, проведенной из начала координат через соответствующую точку на основной кривой намагничивания. Предельное значение магнитной проницаемости mн
при напряженности магнитного поля, стремящейся к нулю, называется начальной магнитной проницаемостью.

Крутизну отдельных участков кривой намагничивания и ветвей петли гистерезиса характеризует дифференциальная магнитная проницаемость

(4.2)

Процесс перемагничивания ферромагнетиков в переменном магнитном поле сопровождается потерями энергии, которые вызывают нагрев материала. В общем случае потери на перемагничивание состоят из потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитное последействие. Потерями на магнитном последействие при проведении инженерных расчетов, как правило, пренебрегают. Полная мощность магнитных потерь пропорциональна площади динамической петли гистерезиса. Площадь статической петли характеризует только потери на гистерезис.

4.3. Приборы и оборудование

Для изучения основных характеристик ферромагнитных материалов в данной лабораторной работе используется установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 4.1. Исследуемые образцы кольцевой формы имеют первичную обмотку с числом витков W1
и вторичную обмотку с числом витков W2
.

Рис. 4.1. Электрическая схема испытательной установки

Первичные обмотки предназначены для создания переменного магнитного поля, намагничивающего сердечник. Они подключаются к регулируемому источнику переменного напряжения заданной частоты.

В соответствии с законом полного тока для однородного образца с постоянным поперечным сечением величина напряженности определяется по формуле

(4.3)

где 1
- действующее значение тока в первичной обмотке, А;

W1
- число витков в первичной обмотке;

l
- средняя длина магнитной силовой линии, м.

Из формулы (4.3) следует, что величина напряженности поля пропорциональна значению тока, протекающего через первичную обмотку. Следовательно, подавая на горизонтальные пластины отклонения луча осциллографа величину падения напряжения на сопротивлении R1
, можно на экране зафиксировать величину напряженности магнитного поля на образце.

Для того чтобы на экране осциллографа была получена петля гистерезиса, на пластины вертикального отклонения луча необходимо подать напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля в образце. В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС индукции, возникающая во вторичной обмотке, определяется по формуле

(4.4)

Так как исследуемые образцы имеют постоянное поперечное сечение, то можно записать:

(4.5)

Следовательно, напряжение во вторичной обмотке пропорционально производной . Для того чтобы подать на вход вертикального усилителя осциллографа напряжение, пропорциональное индукции магнитного поля, необходимо между вторичной обмоткой и осциллографом включить интегрирующее звено. С этой целью ко вторичной обмотке подключена интегрирующая цепочка, состоящая из последовательно включенных сопроти

вления R2
и емкости С. Ве-личины емкостного сопротивления конденсатора С и индуктивного сопротивления вторичной обмотки подбирают такими, чтобы они были значительно меньше значения активного сопротивления R2
. Тогда ток во вторичной цепи можно считать число активным:

(4.6)

Напряжение на обкладках конденсатора С, которое подается на пластины вертикального отклонения осциллографа, можно записать в виде

. (4.7)

Подставляя значение e
2
из уравнения (4.5), получим:

(4.8)

Следовательно, напряжение на конденсаторе С пропорционально индукции магнитного поля в ферромагнитном образце.

Максимальное значение индукции Вm
в образце определяется по формуле

(4.9)

Таким образом, подавая одновременно на пластины горизонтального и вертикального отклонения луча осциллографа падение напряжения на сопротивление R1
и конденсаторе С, на экране получим в некотором масштабе петлю гистерезиса.

Масштаб петли гистерезиса определяется по крайним точкам изображения на экране осциллографа:

: , (4.10)

где Н - напряженность магнитного поля при данной величине тока в первичной обмотке, А/м;

lн
- половина длины горизонтальной развертки, мм;

В - индукция при данной величине намагничивающего поля, Тл

lВ
- половина длины вертикальной развертки, мм.

По масштабу изображения площади петли гистерезиса определяются удельные потери в образце:

, (4.11)

где S - площадь петли гистерезиса, мм2
;

f - частота, Гц;

g - удельный вес материала, г/см3
.

4.4. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему испытательной установки в соответствии с рис. 4.1.

2. Параметры образцов исследуемых материалов записать в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Параметры образцов магнитных материалов

Образец	Геометрические размеры и обмоточные данные				Максима-льные токи и напряжения		Положение переключателей на щите		Плотность материала
S2 , м2	l, м	W1 , витков	W2 , витков	I1 , А	U2 , В	ПR	Пc	g, г/см3

3. Включить схему в один из образцов магнитных материалов.

4. Установить переключатели ПR
и Пc
, расположенные на стенде (на рис. 4.1 данные переключатель не показаны), в положения, указанные в табл. 4.1.

5. В присутствии преподавателя включить питание испытательной установки и измерительных приборов. Время прогрева прибора 5-10 мин.

6. При нажатой кнопке Кн
регулятором установить в намагничивающей обмотке ток, необходимый для насыщения ферромагнетика. Величина тока для каждого образца не должна превышать значений, указанных в табл. 4.1.

7. Измерить величину напряжения на вторичной обмотке. Результаты измерений занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Результаты экспериментальных исследований параметров магнитных материалов

Образец	Номер	Экспериментальные и расчетные параметры
измерения	І1 , А	U2 , B	H, А/м	В, Тл	mr	Руд Вт/кг	Вr Тл	Hc А/м

8. С помощью ручек «Усиление» осциллографа отрегулировать изображение петли гистерезиса, чтобы оно максимально заполняло экран.

9. По соответствующим формулам определить величины напряженности намагничивающегося поля Н, амплитудные значения индукции в образце В и магнитной проницаемости m. Результаты расчетов занести в табл. 4.2.

10. Переснять петлю гистерезиса с экрана осциллографа на миллиметровую бумагу и определить ее площадь.

11. Определить масштаб по оси напряженности магнитного поля mн
, используя формулу (4.10). Для определения длины горизонтальной развертки ручку усиления осциллографа по вертикальной оси поставить в нулевое положение. После измерения ручку вертикальной развертки поставить в нулевое положение.

12. Определить масштаб по оси индукции mв
, используя формулу (4.10). ручка усиления горизонтальной развертки осциллографа в этом случае должна быть переведена в нулевое положение. После измерения длины вертикальной развертки необходимо ручку горизонтальной развертки вернуть в исходное положение.

13. Определить величину удельных магнитных потерь, используя формулу (4.11). Результаты расчета записать в табл. 4.2.

14. Последовательно уменьшая амплитуду тока в намагничивающей цепи с помощью регулятора, повторить измерения по пп. 7 - 13 минимум для трех значений тока

15. По экспериментальным данным построить графики зависимости В=f(H); m=f(H).

16. Отключить питание испытательной установки и в присутствии преподавателя заменить образец магнитного материала. Произвести измерение основных характеристик установленного образца в соответствии с методикой, изложенной в пп. 3-15.

17. Полученные экспериментальные и расчетные значения основных параметров исследуемых образцов сравнить со справочными данными.

18. 18.Составить отчет о работе, который должен содержать формулировку цели работы, принципиальную электрическую схему экспериментальной установки, заполненные табл. 4.1, 4.2, графики зависимости В=f(H); m=f(H) и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики свойств магнитных материалов.

2. Опишите процесс намагничивания магнетика.

3. Приведите классификацию материалов по магнитным свойствам.

4. Назовите виды магнитных потерь и укажите факторы, оказывающие на них влияние.

5. Дайте характеристику свойств диамагнетиков и парамагнетиков.

6. Дайте характеристику свойств ферромагнетиков.

7. Опишите принцип работы экспериментальной установки для изучения явления гистерезиса.

8. Перечислите области использования магнитотвердых магнитомягких материалов.

Л и т е р а т у р а : [1, с. 275-299].

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

5.1. Цель работы

Изучить влияние температуры на значение величины удельного сопротивления и на основании опытных данных определить значения температурного коэффициента удельного сопротивления проводников.

5.2. Общие положения

Металлические проводники имеют хорошую тепло- и электропроводность. Электрическое сопротивление и обратный ему параметр – электропроводность различных материалов зависят от структуры проводника, температуры и характеризуется значениями удельного электрического сопротивления и, соответственно, удельной электропроводности.

По квантовой теории металлов удельная электропроводность определяется выражением

. (5.1)

Здесь А - коэффициент, не зависящий от температуры и определяемый числом свободных электронов в единице объема металла и энергетическим состоянием электронных орбит;

- средняя длина свободного побега электронов, которая в области температур от 100 °С до +300 °С для металлов определя6ется как

, (5.2)

где Т - температура проводника, К.

Таким образом, удельное сопротивление металлов () в соответствии с данными опытов изменяется прямо пропорционально температуре.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры (для указанного интервала температур) определяется выражениями:

;

, (5.3)

где rt
и Rt
- значение удельного сопротивления, соответственно, но при текущих температурах t, °C;

rн
и Rн
- значения удельного сопротивления и сопротивления, соответственно, при начальной температуре tн, °C ;

ar
и aR
- значения температурного коэффициента удельного сопротивления, соответственно, 1/°C.

Учитывая, что

где l - длина;

S - площадь поперечного сечения проводника;

можно показать, что

ar
= aR
.

Из выражения (5.3) имеем:

(5.4)

откуда вытекает определение ar
как отношения приращения удельного электрического сопротивления (сопротивления) к его первоначальному значению при изменении температуры на 1 °С (1/°С). Для большинства металлов в интервале температур от 0 до 100 °С ar
изменяется в пределах (3,3 ¸ 6,2)×10-2
1/°С. Зависимость r и g от температуры для чистых металлов и некоторых сплавов объясняется зависимостьюl от температуры.

В некоторых металлах и сплавах обнаружено явление сверхпроводимости (сплавы висмута с золотом, карбидов молибдена и вольфрама, свинца, цинка, алюминия и др.), заключающееся в том, что ниже некоторой критической температуры удельные сопротивления этих веществ становятся исчезающе малыми.

На практике часто по величине измеренного сопротивления определяют значение температуры проводника, например, для медных обмоток электрических машин и трансформаторов при известных начальных (паспортных) значениях сопротивления по выражению

(5.5)

5.3. Приборы и оборудование

Принципиальная схема установки изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Принципиальная схема установки

В шкаф термостата 1 помещены исследуемые проводниковые материалы (R1
¸R6
). Значение натуральной температуры tн
фиксируется при помощи ртутного термометра 4. Измерение значений электрических сопротивлений производится при помощи измерителя Е-7-13 (2). Исследуемые сопротивления подключаются к прибору при помощи переключателя 3.

5.4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомится с установкой для измерения зависимости сопротивления образцов испытуемых проводниковых материалов от температуры.

2. Под руководством преподавателя подключить к сети и отградуировать измеритель Е-7-13.

3. Записать в табл. 5.1 геометрические параметры исследуемых проводниковых материалов.

Т а б л и ц а 5.1

Геометрические параметры исследуемых образцов проводниковых материалов

Положение	Материал	Параметры проводника
перклю-	проводника	длина,	диаметр,	площадь сечения
чателя	м	мм	мм2
1 - термо-датчик	Медь	41	0,335
2	Никель	14	0,5
3	Вольфрам	4,6	0,11
4	Железонике-левый сплав	3,5	0,25
5	Константан	30	0,07
6	Манганин	4,3	0,23

4.Измерить значение начальной температуры термошкафа (tн
) ртутным термометром

5.Изменяя положение переключателя от 1 до 6 измерить значение сопротивлений образцов при начальной температуре. Результаты измерений записать в табл. 5.1.

6.Включить электронагреватель термостата. В процессе нагрева произвести измерения сопротивлений образцов проводниковых материалов не менее чем при четырех значениях температуры. Во время измерений сопротивлений нагреватель термостата необходимо отключать.

В качестве термодатчика используется образец из медного провода (положение переключателя 1), градуировочная функция которого представлена на рис. 5.2. Данные измерений сопротивления записать в табл. 5.2.

7. Используя экспериментальные данные, определить значения удельных сопротивлений проводниковых материалов по формуле

Результаты расчета записать в табл. 5.2

Рис. 5.2. Градуировочная функция термодатчика

Т а б л и ц а 5.2

Расчетные значения параметров сопротивлений

8. Определить для каждого образца значения температурного коэффициента удельного сопротивления ar
для наибольшего интервала температур, используя формулу (5.4). Сравнить полученные результаты со справочными данными.

9. Составить отчет по работе, который должен содержать цель работы, схему измерений, заполненные табл. 5.1, 5.2, графики зависимостей и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Укажите причины зависимости электрического сопротивления проводниковых материалов от температуры

2. Какой характеристикой определяется изменение сопротивления проводника от температуры?

3. Какие металлические проводники имеют весьма незначительные значения температурного коэффициента сопротивления?

4. В чем отличие электрической проводимости проводников первого рода от проводников второго рода?

5. От каких факторов зависит удельная электрическая проводимость металлических проводников?

6. Охарактеризуйте применение проводниковых материалов с теми или иными параметрами.

Л и т е р а т у р а : [1, с. 186-229].

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДУГОСТОЙКОСТИ ТВЕРДЫХ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. Цель работы

Изучить методику определения дугостойкости материалов и провести экспериментальные исследования дугостойкости твердых диэлектриков.

6.2. Общие положения

Следует знать, что под дугостойкостью электроизоляционных материалов понимают их способность длительно противостоять воздействию электрической дуги, сохраняя при этом в заданных пределах электрические и физико-химические характеристики.

Электрическая дуга может возникать в камерах контактов пакетных выключателей и других коммутационных аппаратов. В результате воздействия электрической дуги электроизоляционные материалы науглероживаются, растрескиваются и становятся непригодными для дальнейшего использования. В связи с этим материалы, подвергаемые в процессе эксплуатации воздействию электрической дуги, обязательно испытывают на дугостойкость.

Различают стойкость электроизоляционных материалов к действию электрической дуги при высоком (свыше 1000 В) переменном напряжении и малых токах при воздействии дуги, создаваемой постоянным напряжением до 1000 В.

Стойкость материалов к воздействию дуги переменного напря­жения определяется в соответствии с ГОСТ 10345. 1-78. Для этого два электрода, к которым приложено переменное напряжение, располагают вблизи поверхности испытуемого образца. Под воздействием электрической дуги в поверхностном слое электроизоляционного материала образуется токопроводящая перемычка между электродами. Сопротивление этой перемычки меньше, чем сопротивление воздушного промежутка между электродами. В связи с этим дуга шунтируется токопроводящей перемычкой и гаснет. Момент появления перемычки фиксируется по погасанию дуги. Таким образом, параметрами дугостойкости в данном случае являются время, необходимое для образования токопроводящей перемычки на исследуемом образце, и ток дуги.

Испытание материалов на стойкость к воздействию электрической дуги постоянного напряжения проводятся в соответствии с ГОСТ 10345. 2-78. Согласно утвержденной методике, на исследуемый образец воздействуют электрической дугой постоянного тока при напряжении между электродами 220 В. В зависимости от состояния испытуемого образца, в соответствии с табл. 6.1, определяется класс стойкости данного материала к воздействию электрической дуги постоянного напряжения.

Существующие методы испытаний позволяют лишь сравнить дугостойкость различных материалов, причем результаты испытаний, проводимых в лабораторных условиях, возможно, будут существенно отличаться от тех данных, которые могут быть получены в реальных условиях эксплуатации.

Таблица 6.1

Классы стойкости материалов к действию дуги постоянного напряжения до 100 В

Класс	Горение дуги при расстоянии между электродами менее или равном 20 мм	Токопроводящая перемычка в испытуемом материале во время после охлаж- горения дения образ- дуги ца		Процесс, проте-кающий в испы-туемом мате-риале
L1	Не прекращается	Образуется	Сохраняется	Обугливается и горит
L2	Прекращается	То же	То же	Растре-скивае-тся
L3	Не прекращается	" – "	" – "	Деструкция не наблю-дается
L4	Прекращается	Не образу-ется	" – "	Плавится и испаря-ется
L5	Не прекращается	То же	" – "	Деструкция не наблю-дается
L6	Прекращается	" – "	" – "	То же

6.3.
Приборы и оборудование

Испытания на стойкость к действию дуги переменного тока проводят к установке, внешний вид которой изображен на рис. 6.1.

Установка содержит подставку 1, которая с помощью микрометрического винта может перемещаться в вертикальном направлении, и две стойки 2 с зажимами для крепления электродов 3. Все элементы установки расположены на основании 4. Электроды, исполь

зуемые для испытаний, снабжены вольф

рамовыми наконечниками, угол среза к

оси которых составляет 30°. Расстояние

между электродами устанавливается 6,5

мм. Схема расположения электродов на

образце показана на рис. 6.2.

Принципиальная электрическая схема

прибора приведена на рис. 6.3. Электроды

подключаются ко вторичной обмотке по

вышающего трансформатора мощностью

1-2 кВ×А. Средняя точка вторичной об

мотки заземляется. Однако возможно ис

пользование трансформаторов с незазем

ленной средней точкой, но в этом случае

заземляется один из электродов.

Рис. 6.3 Принципиальная электрическая схема установки

Последовательно с электродами включено ограничительное сопротивление R. Величина тока, протекающего во второй цепи, контролируется миллиамперметром с пределами измерений 10 ... 100 мА. Для измерения напряжения на электродах используется вольтметр V. Время горения дуги фиксируется секундомером.

Для испытаний используются плоские материалы произвольной формы толщиной не менее 3 мм, площадь которых позволяет располагать электроды на расстояние не менее 8 мм от края образца. При проведении нескольких испытаний на одном образце расстояние между отдельными зонами испытаний должно быть не менее 15 мм.

За результат отдельного испытания применяется суммарное время в секундах от начала испытания до момента образования токопроводящей перемычки. За окончательный результат определения стойкости материалов к действию дуги переменного напряжения принимается среднее арифметическое время всех испытаний образцов.

Для материалов, у которых токопроводящая перемычка не образуется, а происходит их плавление или воспламенение, определяется глубина плавления или эрозии и время от начала испытаний до момента прекращения.

Для проведения испытаний на стойкость материалов к действию дуги постоянного тока используется источник, позволяющий получить напряжение 220 ± 5 В с амплитудой пульсаций переменной составляющей, не превышающей 5 % (рис. 6.4). напряжение дуги контролируется вольтметром с погрешностью измерения 2 %. В связи с

тем, что погрешность миллиамперметра, предназначенного для измерения тока дуги, не нормируется, во время испытаний используется индикатор. Для ограничения тока служит резистор R, величина сопротивления которого 20 Ом.

Электрическая дуга возбуждается между угольными неомедненными круглыми электродами марки СК-8 диаметром 8 мм. Концы электродов затачи-

ваются на конус с углом при вершине 60°. Вершины конусов закругляются до радиуса 0,4 ... 0,6 мм. Схема расположения электродов 1 на образце 2 показана на рис. 6.5. Установка содержит устройство, позволяющее раздвигать электроды

в процессе испытаний со

скоростью 1 мм/с. Расстояние между

электродами фиксируется по шкале.

Для испытаний используются плоские образцы толщиной 12 мм круглой или квадратной формы. Диаметр круга или сторона квадрата должна быть менее 80 мм. При толщине испытуемого материала менее 12 мм допускается складывать несколько образцов плотной стопкой до получения требуемой толщины.

По результатам испытаний материал относят к одному из шести классов. Критерии выбора класса материала приведены в табл.6.1

6.4. Порядок выполнения работы

1. Для испытаний на стойкость материалов к действию электрической дуги переменного тока установить электроды 3 на подставку 1 в соответствии с рис. 6.2. Затем подставку отвести вниз от электродов на расстояние 15 мм.

2. В присутствии преподавателя включить выключатель и с помощью автотрансформатора Т1 повысить напряжение до разряда в воздухе между электродами. После регулирования выключатель отключить.

3. Расположить испытуемый электроизоляционный материал на подставке 1 и и помощью микрометрического винта поднять до соприкосновения образца 5 с электродами 3.

4. Выключить выключатель S. В момент возникновения дуги между электродами выключить секундомер. При переходе дуги на поверхность образца или образовании на поверхности материала токопроводящей перемычки секундомер включить и отключить напряжение. Результат испытаний записать в табл. 6.2.

Т а б л и ц а 6.2

Результаты экспериментальных исследований стойкости диэлектриков к действию электрической дуги переменного напряжения.

Наименование диэлектрика

Напряжение на вторичной обмотке

Ток дуги, мА

Время горения дуги, с

Дугостойкость образца, с

5. Измерить место расположения электродов на образце и повторить испытание по пп. 3, 4.

6. По результатам шести испытаний каждого образца определить их дугостойкость. Результаты записать в табл. 6.2.

7. Для испытаний на стойкость материалов к действию электрической дуги постоянного тока расположить исследуемый образец горизонтально плоской поверхностью вплотную к электродам в соответствии с рис. 6.5.

8. В присутствии преподавателя включить напряжение и одновременно включить устройство раздвижения электродов. При достижении расстояния между электродами 20 мм их раздвижение прекратить и отключить напряжение.

9. Не меняя положение электродов, через 1 мин включить напряжение на 2 ... 3 с и определить наличие или отсутствие токопроводящей перемычки.

10. По результатам испытаний в соответствии с табл. 6.1 определить класс дугостойкости исследуемого материала. Результаты записать в табл. 6.3.

Т а б л и ц а 6.3

Результаты экспериментальных исследований стойкости диэлектриков к действию электрический дуги постоянного напряжения

Горение дуги при расстоянии между электродами менее или равном 20 мм	Токопроводящая пере-мычка в испытуемом материале		Процесс, протекающий в испытуемом материале	Класс
во время горения дуги	после охлаждения образца

11. Составить отчет о работе, который должен содержать формулировку цели работы, принципиальные электрические схемы измерений дугостойкости, заполнение табл. 6.2, 6.3 и выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните, как производится классификация материалов по стойкости к действию дуги постоянного тока.

2. Дайте определение дугостойкости и электроизоляционных материалов.

3. Укажите параметры, характеризующие стойкость материалов к действию дуги переменного тока.

4. Перечислите требования, предъявляемые к образцам испытуемых материалов.

5. Укажите факторы, которые могут оказывать влияние на стойкость материалов к действию дуги переменного тока.

6. Объясните назначение резистора в электрической схеме для испытания материалов к действию дуги переменного тока.

Л и т е р а т у р а : [4, с. 397-400].

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №7

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА

7.1. Цель работы

Используя экспериментальные установки, изучить физику возникновения электрического разряда на поверхности твердого диэлектрика и влияние удельной поверхностной емкости на развитие разряда.

7.2. Общие положения

Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям (рис. 7.1).

Рис.7.1.Характерные расположения твердого диэлектрика в электрическом поле.

При размещении диэлектрика в однородном поле (рис. 7.1, а) поверхность раздела диэлектрика и воздуха расположена вдоль силовых линий напряженности электрического поля (Еt
). на рис. 7.1, б и 7.1, в показано положение диэлектрика в конструкциях с неоднородным полем. В первом случае (рис. 7.1, б) во всех точках поверхности диэлектрика, за исключением очень малых ее участков вблизи электродов, тангенциальная составляющая напряженности поля Еt
, в другом случае (рис. 7.1, в) - наоборот.

В зависимости от формы электрического поля на характер развития разряда и величину разрядного напряжения оказывают влияние различные факторы.

При помещении диэлектрика в однородное поле естественно было бы предположить, что, так как постоянство напряженности поля не изменяется, пробой может произойти в любом месте, а разрядное на­пряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако в действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и имеет вид скользящих термоионизированных светящихся каналов. Такой разряд называется скользящим.

Значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная влага. Материалы, обладающие большой поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакелизированная бумага), дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопич­ные материалы (парафин, винипласт).

Вместе с тем имеет значение длительность приложения напряжения. Большее по сравнению с импульсами снижение электрической прочности при приложении постоянного или переменного напряжения свидетельствует об относительно медленном развитии процесса.

Адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содержит диссоциированные ионы. В электрическом поле сравнительно медленно (из-за малой проводимости увлажненного слоя) происходит перераспределение зарядов на поверхности диэлектрика. Поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. В результате этого величина разрядного напряжения уменьшается. При импульсах электрическое поле в промежутке не успевает существенно исказится, и поэтому величина разрядного напряжения снижается в меньшей мере.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика большое влияние на величину разрядного напряжения могут оказывать воздушные прослойки между диэлектриком и электродами. В этих прослойках из-за разницы в диэлектрических проницаемостях воздуха и диэлектрика создается местное увеличение напряженности поля и возникает ионизационный процесс. Продукты ионизации выходят на поверхность, что приводит к значительному (иногда вдвое и более) снижению разрядного напряжения.

Таким образом, под однородным электрическим полем понимается такое поле, у которого плотность электрических силовых линий напряженности Е, пересекающих площадку, расположенную перпендикулярно линиям поля, одинакова во всех точках.

В реальных конструкциях такого поля не существует из-за указанных искажений, а также краевых эффектов, шероховатостей и т. д., поэтому более точное название однородного поля - квазиоднородное поле («квази» - почти).

Расположение диэлектрика, показанное на рис. 7.1,б, характерно для опорных изоляторов. Электрическое поле в этой конструкции неоднородно, поэтому разрядные напряжения ниже, чем в случае, показанном на рис. 7.1,а.

Гигроскопичные свойства диэлектрика в этом случае мало влияют на величину разрядных напряжений, поскольку процессы на его увлажненной поверхности могут лишь несколько увеличить и без того значительную неоднородность поля. Неплотное прилегание диэлектрикам к электродам в реальных конструкциях обязательно устраняется с помощью цементирующих замазок или прокладок.

Нижний электрод (фланец) опорного изолятора обычно бывает соединен с заземленными конструкциями, имеющими значительные размеры. Вследствие этого напряженность поля у фланца уменьшается и разряд начинается с другого электрода (шапки), находящегося под высоким потенциалом.

В конструкции, показанной на рис. 7.1,в, характерной для проходных изоляторов, у короткого электрода при относительно небольшом напряжении возникает коронный разряд в виде полоски ровного и неяркого свечения.

Коронный разряд - разряд в локальном промежутке неоднородного поля, возникающий в зоне наибольшей концентрации силовых линий напряженности электрического поля.

При увеличении напряжения область коронирования расширяется и на поверхности диэлектрика появляются многочисленные слабо светящиеся каналы (стримеры), направленные в сторону противоположного электрода. Эта форма стримерного разряда обусловливает скользящий разряд.

Чем выше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше проводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается разрядное напряжение.

Величина тока при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем значительнее, чем больше величина этой емкости. Очевидно, чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напряжение при постоянстве расстояния между электродами по поверхности диэлектрика.

В качестве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т. е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду.

Для приближенного расчета напряжений поверхностного разряда могут быть использованы следующие эмпирические формулы:

а) при отсутствии нормальной составляющей напряженности электрического поля

(7.1)

где U - разрядное напряжение, кВ;

l
- разрядное расстояние, см;

б) напряжение начальных скользящих разрядов при наличии нормальной составляющей напряженности электрического поля (формула Рота)

(7.2)

где С - удельная поверхностная емкость, представляющая собой емкость единицы поверхности, на которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду, Ф/см2
.

Для плоского диэлектрика величина удельной поверхностной емкости

, (7.3)

где er
- относительная диэлектрическая проницаемость

(5,5 ... 5,7 - фарфор, стекло; 5,3 ... 5,5 - бакелит):

h - толщина диэлектрика, см.

Для полного цилиндрического диэлектрика

, (7.4)

где D и d - наружный и внутренний диаметры диэлектрика, см.

7.3. Приборы и оборудование

Упрощенная экспериментальная схема установки показана на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Принципиальная электрическая схема установки

Источником напряжения промышленной частоты служит испытательный трансформатор аппарата АИИ-70 на 50 кВ (действующее значение). Напряжение его регулируется с помощью автотрансформатора и измеряется со стороны низшего напряжения вольтметром PV1
. Рубильник служит для коммутации напряжения испытательной установки и создания видимого разрыва.

Для получения разрядных напряжений в однородном поле используется промежуток между двумя дисками с закругленными краями (электроды Роговского). В промежуток помещаются диэлектрические цилиндры разной высоты h, сделанные из гигроскопического и малогигроскопического материалов (рис. 7.1,а).

К материалам, обладающим большой гигроскопичностью, относятся стекло, бакелизированная бумага. К малогигроскопичным материалам относятся парафин, винипласт и др.

Разрядные напряжения по поверхности диэлектрика при помещении его в неоднородное поле с преобладающей тангенциальной преобладающей изучаются на конструкции, изображенной на рис. 7.3,а. Элек­троды представляют собой металлические кольца 1, расстояние между которыми можно изменять в широких пределах. В качестве твердого диэлектрика используются стеклянные, фарфоровые или бакелитовые трубки.

Изучение разрядных напряжений в неоднородном поле с большой нормальной составляющей проводится по конструкции, показанной на рис. 7.3,б.

Для увеличения нормальной составляющей внутрь трубки вводится заземлённый электрод 3 таким образом, чтобы внутренний конец его находился примерно посередине трубки. Перемещая кольцо 2 по поверхности трубки, можно менять расстояние l
между электродами. Удельная поверхностная емкость в этом устройстве не изменяется.

Рис.7.3. Установка для проведения опытов

7.4. Порядок выполнения работы

1. Перед началом работы ознакомится со схемой установки, расположением ее элементов и объектов испытания и правилами безопасной работы на установке.

2. Подключить к испытательному трансформатору в качестве испытуемого объекта установку с электродами Роговского (Рис.7.1,а).

3. Изменяя расстояние между электродами, определить значения разрядных напряжений. Измеренные значения занесите в табл. 7.1.

Т а б л и ц а 7.1

Значения разрядных напряжений промежутка

Расстояние между электродами, l , см	Воздушный промежуток					Диэлектрики
1	2	3	4	5	гигроскопичный					малогигроскопичный
1	2	3	4	5		1	2	3	4	5
Разрядное напряжение Up , см
Средний гради- ент напряжения Е, кВ/см

4. Определить разрядные напряжения промежутка с помещенным между электродами твёрдым диэлектриком, сначала выполненным из гигроскопического, а затем из малогигроскопического диэлектрика. Результаты измерений занести в табл. 7.1. построить график зависимости . Определить средние разрядные градиенты напряжения и построить графики

5. Подключить к испытательному трансформатору в качестве испытуемого объекта установку (рис. 7.3,а), подав на один из электродов напряжение, а другой заземлив.

6. Изменяя расстояние между электродами l

, определить разрядные напряжения по поверхности диэлектрика. Величину устанавливать в пределах от 1 до 3 см. Результаты измерений занести в табл. 7.2. Построить графики зависимости и .

Т а б л и ц а 7.2

Значения разрядных напряжений по поверхности диэлектрика

Расстояние между электродами, l , см	Неоднородное поле
с преобладающей тангенциальной составляющей			с преобладающей нормальной составляющей
1	2	3	1	2	3
Разрядное напряжение , кВ
Средний градиент напряжения ЕР , кВ/см

7. Подключить к испытательному трансформатору в качестве испытуемого объекта установку (рис. 7.3,б), подав напряжение на электрод 2 и заземлив трубку 3.

8. Выдерживая расстояния l

такими же, как в п. 6, определить значения разрядных напряжений по поверхности диэлектрика. Результаты измерений занести в табл. 7.2.

9. По результатам опытов п.п. 6, 8 построить кривые зависимости и .

10.По указанию преподавателя произвести контрольные расчеты и сопоставить результаты с измеренными значениями. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Чем можно объяснить расхождение в значениях разрядного напряжения, полученных при экспериментах (табл.7.1) для различных материалов?

2. Что такое разрядное напряжение и его физический смысл?

3. Что такое однородное и неоднородное поля?

4. Сопоставьте значения разрядных градиентов и объясните результаты сопоставления.

5. Что такое корона и ее физический смысл?

Л и т е р а т у р а: [1].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергия, 1982.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - М.: Высш. шк., 1986.

4. Справочник по электротехническим материалам: В 3т. /Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа1.Исследование электропроводности

твердых диэлектриков 3

Лабораторная работа 2. Определение относительной диэлек-

трической проницаемости и тангенса

угла диэлектрических потерь при

повышенных частотах 9

Лабораторная работа 3 Определение вязкости жидких

диэлектриков 16

Лабораторная работа 4 Определение основных характеристик

ферромагнитных материалов 22

Лабораторная работа 5 Исследование зависимости удельного

сопротивления проводниковых материа-

лов от температуры 29

Лабораторная работа 6 Определение дугостойкости твердых

электроизоляционных материалов 34

Лабораторная работа 7 Электрические разряды по поверхности

твердого диэлектрика 40