Электроматериаловедение, лабораторный практикум, тесты (стр. 4 )

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Макромолекула ПТФЭ имеет регулярное симметричное строение.

Диэлектрик выделяется высокой стойкостью к нагреву (около 300°С) и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Материал не горит, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.

Как видно из таблицы 1, все неполярные полимеры характеризуются небольшой диэлектрической проницаемостью, малыми диэлектрическими потерями, высокой электрической прочностью и высоким удельным сопротивлением. Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией. Поэтому значение параметра не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением температуры.

Диэлектрические потери в неполярных полимерах очень чувствительны к полярным примесям. Тщательной очисткой материала удается снизить релаксационные потери.

Полярные полимеры

У линейных полимеров из-за асимметрии строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами. Материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамидные смолы.

Поливинилхлорид (ПВХ) - твердый продукт полимеризации газообразного винилхлорида представляющего собой этилен, в молекуле которого один атом замещен атомом .

Благодаря сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы. Введение полярного пластификатора ухудшает электрические свойства полимера.

Полиэтилентерефталат (лавсан) - это термопластичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Материал обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размягчения. Это - дипольный диэлектрик. Свойства лавсана характеризует рисунок 1. Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок. При повышенных температурах диэлектрик быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала производят в атмосфере нейтрального газа (азота).

Полярные полимеры по сравнению с неполярными диэлектриками, характеризуются примерно на два порядка большим значением параметра и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением . Поэтому полярные полимеры используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот. Следствием полярности является сильная зависимость удельного поверхностного сопротивления от влажности окружающей среды.

Рисунок 1 – Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрической проницаемости полиэтилентерефталата (ПЭТ) от температуры частоты

Из лавсана получают тонкие пленки для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделий, рассчитанных на рабочую температуру - 60 - +150°С. Пленки из лавсана с наиболее высокой механической прочностью имеют толщину около 6,5мкм. Конденсаторы из таких пленок обладают большей рабочей температурой до 150°С.

В эксплуатации диэлектрические материалы электроустановок подвергаются воздействию ряда факторов, вредно отражающихся на свойствах изоляции. Кроме электрической нагрузки, твердые диэлектрики часто испытывают разные виды механической нагрузки (вибрация, центробежные силы). Большие механические нагрузки опасны и сами по себе, но особенно в сочетании с электрической нагрузкой-действием высокой напряженности поля. Такая комбинированная нагрузка снижает электрическую прочность изоляции электроустановок.

Тепловое воздействие на диэлектрик является дополнительной эксплуатационной нагрузкой, т. к. изоляционным материалам приходится работать при повышенных температурах, вызванных различными потерями в электроустановках и высокой температурой окружающей среды. Повышенная температура вызывает ухудшение электрических характеристик и размягчает (расплавляет) изоляцию электропроводки.

Тепловым старением называется воздействие повышенной температуры в течение длительного времени, вызывающее необратимые изменения свойств изоляции электроустановки. К числу отрицательных тепловых воздействий на изоляцию относится «тепловой удар» - резкое изменение температуры в электроустановке.

Электрическая изоляция воздушных линий электропередач напряжением выше 1кВ плохо переносит резкие температурные колебания, которые вызывают ее растрескивание. Очень низкие температуры могут вызвать хрупкость твердой изоляции, которая по условиям эксплуатации, должна оставаться гибкой.

Повышенная влажность окружающей среды оказывает на электрическую изоляцию вредное влияние, особенно для районов с субтропическим климатом, где влажность% при температуре воздуха 30°С и выше. Влага, проникая в изоляцию воздушных линий электропередач, ухудшает ее электрические свойства и может быть причиной пробоя.

Агрессивная окружающая среда оказывает разрушающее воздействие на электрическую изоляцию, особенно наличие аммиака и других химически активных соединений. Изоляция воздушных линий электропередач из органических материалов подвержена световому старению, когда под влиянием солнечной радиации, в особенности ультрафиолета, происходит старение диэлектрика, приводящее к растрескиванию и снижению эластичности электропроводки.

Рассматривая действие электрического поля в сочетании с влиянием внешних факторов на электропроводку, становится очевидным, почему изоляция является ненадежным элементом, вызывающим большое число отказов электроустановок. Для предотвращения отказов воздушных линий электропередач напряжением выше 1кВ, своевременного выявления изоляции у которой сопротивление ниже нормы проводят испытания и контрольные измерения.

Сопротивление изоляции постоянному току является одним из основных показателей состояния изоляции, и его измерение является неотъемлемой частью испытаний всех видов электрического оборудования и проводки. Нормы на значение сопротивления изоляции определяются Государственными стандартами (ГОСТ) и Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Сопротивление изоляции может измеряться с помощью специального прибора мегаомметра, который состоит из: источника - переносного генератора постоянного тока; измерительного прибора - магнитоэлектрического логометра и добавочных сопротивлений. Источник питания мегаомметра может быть с ручным приводом и питанием от стационарной электрической сети, а также внешнего источника постоянного тока или встраиваемых сухих элементов. Существуют мегомметры на номинальные напряжения 250, 500, 1000 и 2500В.

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема мегаомметра

При измерениях следует иметь в виду, что при подключении мегомметра к электрооборудованию с пониженным сопротивлением изоляции напряжение на выходах мегомметра тоже понижается.

Нагрузочные характеристики мегаомметра МС-0,5 напряжение, которого на выходах указано в процентах напряжения холостого хода прибора, показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Нагрузочные характеристики мегаомметра МС-0,5

Все измерения следует проводить при установившемся положении стрелки прибора. Примерно через 60сек после начала вращения ручки генератора, когда сопротивление будет определяться только сквозными токами утечки. Мегомметры дают правильные показания при вращении ручки генератора со скоростью в пределах 90...150 оборотов в минуту и развивают номинальное напряжение при 120об/мин.

Проверка исправности прибора. Перед использованием мегомметр следует подвергнуть контрольной проверке, которая заключается в определении показаний при разомкнутой и замкнутой измерительной цепи прибора. В первом случае стрелка прибора должна находиться на отметке шкалы «бесконечность», а во втором - на отметке «ноль».

Проведение измерений. При определении сопротивления изоляции относительно земли зажим Л (линия) должен быть подключен к токоведущей части электроустановки, а зажим З (земля) - к ее корпусу. При измерении сопротивления изоляции частей электроустановки не соединенных с землей, подключение зажимов Л и 3 может быть любым. При определении больших величин сопротивлений изоляции электрооборудования, а также при проведении измерений в сырую погоду для исключения влияния поверхностных токов утечки подключается зажим Э (экран). За сопротивление изоляции принимается значение «R60», зафиксированное по шкале мегомметра через 60сек после достижения нормальной частоты вращения генератора.

После окончания измерений в электрических цепях, имеющих большую емкость, необходимо снять накопленный заряд путем соединения этой емкости с землей через контур заземления лаборатории.

Метод последовательного вольтметра большим внутренним сопротивлением. Сопротивление изоляции может быть измерено также методом вольтметра, который основан на известном положении о том, что напряжения на последовательно соединенных элементах распределяются пропорционально их сопротивлениям.

Схемы соединений при испытаниях электрической машины методом «вольтметра» приведены на рисунке 4.

а )

б )

Рисунок 4 – Принципиальные электрические схемы измерений сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом «вольтметра»:

а) – режим холостого хода установки; б) – режим измерения сопротивления изоляции

Лабораторный вольтметр следует выбирать с большим внутренним сопротивлением (не менее 30.000...50.000Ом) и для точности производить измерения на пределах с одинаковым внутренним сопротивлением. Напряжение холостого хода выставляется с помощью лабораторного автотрансформатора TV и равно номинальному напряжению исследуемого асинхронного двигателя. Вначале измеряется напряжение холостого хода , Затем цепь изоляции исследуемой асинхронного двигателя подсоединяется последовательно с вольтметром PV. Проводится измерение напряжения , которое соответствует падению напряжения на изоляции разомкнутой обмотки асинхронного двигателя. По пропорциональной зависимости сопротивлений и падений напряжения на обмотках асинхронного двигателя:

(1)

вычисляется сопротивление изоляции:

, (2)

где - внутреннее сопротивление лабораторного вольтметра.

Измерение сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом вольтметра производится при номинальном напряжении машины, выставляемом с помощью лабораторного автотрансформатора, мегомметрами напряжением:

·  500В при питании обмоток номинальным напряжением до 500В;

·  1000В - обмоток напряжением выше 500В;

·  2500В - обмоток напряжением от 6000В и выше.

Измерение сопротивления изоляции обмоток асинхронного двигателя относительно корпуса и между обмотками производят поочередно для каждой электрически независимой обмотки при соединении всех прочих цепей с корпусом или лабораторной установкой. Измерение сопротивления изоляции вспомогательных измерительных цепей производится мегомметром напряжением 250В.

При измерении сопротивления изоляции следует учитывать температуру обмотки электрической машины. С повышением температуры сопротивление изоляции обмоток асинхронного двигателя уменьшается.

Измерения выполняют при температуре, соответствующей номинальному режиму работы машины или приводят к температуре 75ОС, учитывая температурный коэффициент , значения которого приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Температурные коэффициенты электрооборудования

Температура, 0С		Температура, 0С
10	9,4	50	2,4
20	6,7	60	1,7
30	4,7	70	1,2
40	3,4	75	1,0

Приведенное значение сопротивления изоляции

, (3)

где - сопротивление изоляции при температуре 750С, - температурный коэффициент, - сопротивление изоляции при температуре 750С.

Допустимое значение сопротивления изоляции электрической машины, например, асинхронного двигателя, должно быть не менее 0,5МОм.

Сопротивление изоляции высоковольтного кабеля измеряется мегаомметром напряжением 2500В. Определяется сопротивление изоляции каждой жилы кабеля относительно других жил и металлической оболочки. Значение сопротивления изоляции высоковольтного кабеля должно быть не менее 0,5МОм.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторный стенд имеет в своем составе элементы схемы управления и измерения электрического сопротивления изоляции методом последовательного включения вольтметра с высоким входным электрическим сопротивлением. К элементам схемы управления, контроля и измерения относятся:

·  сетевой автоматический выключатель QFI;

·  лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) TV;

·  выпрямительный мост VD.

На лабораторном рабочем месте также имеются переносные ламповые вольтметры ВУ – 15 и ВК7 - 9 с высоким входным сопротивлением, а также комплект электрических машин, у которых разомкнуты рабочие обмотки.

Измерение электрического сопротивления изоляции жил производится на трех образцах кабеля мегомметром МС - 05.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В процессе работы необходимо измерить сопротивление изоляции обмоток электрической машины методом вольтметра и жил кабеля мегомметром.

Для измерения сопротивления изоляции обмоток машины необходимо:

1. Собрать схему лабораторной установки с исследуемого асинхронного двигателя, приведенную на рисунке 3.а и представить ее на проверку преподавателю. Проверить готовность к работе вольтметров ВУ - 15 и ВК Постоянное напряжение подается на клеммы «L» и «7+0» с пределами напряжения 30 – 1000В. Установить предел измерения 300В. Нажать кнопку « + U».

2. Подать питание на установку, автоматическим выключателем QFI, при этом загорается лампочка HL1 «Сеть».

3. Включить тумблер SA10, при этом загорается лампочка HL3 «TV» автотрансформатора стенда.

4. Вращая рукоятку автотрансформатора, установить с помощью переносного вольтметра номинальное напряжение на обмотках электрической машины (задается преподавателем) и записать его значение (U1) в таблицу 3.

5. Выключить установку с помощью выключателя QF1, собрать схему испытаний с электрической машиной (рисунок 3,б) и представить ее преподавателю.

6. Включить QF1 «Сеть», снять показания вольтметра и записать его значение (U2) таблицу 3.

Таблица 3 – Измерения сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом «мегаомметра»

№	Место измерения	U1	U2	RИЗ =Rt МОм	RИЗ =R75 МОм
1	А-В
2	А-С
3	В-С
4	А-«L»
5	В-«L»
6	С-«L»

7. Определить значение сопротивления изоляции обмоток RИЗ относительно корпуса электрической машины и между обмотками.

8. Привести значение сопротивления к температуре 750С, используя выражение (3). Данные занести в таблицу 3. Приборы ВУ – 15 и ВК7 - 9 на всех пределах имеют входное сопротивление RV = 15МОм. Температуру обмоток взять равной температуре 200С.

Для измерения сопротивления изоляции жил исследуемых кабелей напряжением выше 1кВ необходимо:

1. Проверить исправность мегомметра МС – 0,5. К клеммам « - », с охранным кольцом и экраном «Э» подключить соединительные шнуры в соответствии с маркировкой. Корректором изолированного механизма установить стрелку прибора на отметку « ∞ ». Установить переключатель пределов измерения в требуемое положение. При разомкнутых зажимах «RX» нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и установить ручкой УСТАНОВКА « ∞ » стрелку прибора на отметку« ∞ ». Замкнуть зажимы «RX», нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и установить ручкой УСТАНОВКА «0» стрелку прибора на отметку «0», нажать обе кнопки ИЗМЕРЕНИЕ 2 и установить стрелку прибора на отметку «0».

2. Подключить мегомметр МС – 0,5 к стенду исследуемых кабелей на напряжение выше 1кВ и произвести измерения. Подключить жилы исследуемого кабеля 1 к зажимам «RX» нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и сделать отсчёт по шкале 1. Для повышения точности измерения нажать обе кнопки ИЗМЕРЕНИЕ 2 и сделать отсчёт по шкале 2. Данные занести в таблицу 4.

Таблица 4 – Сопротивления изоляции жил кабелей стенда

Измерение	А-В	А-С	В-С	А-0	В-0	С-0
RИЗ1
RИЗ2
RИЗ3

где RИЗ1, RИЗ2, RИЗ3 - сопротивление изоляции жил первого, второго и третьего кабелей.

3. По результатам измерений сопротивления изоляции сделать выводы о пригодности электрической машины и образцов кабелей к эксплуатации.

4. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1  Наименование и цель работы.

2  Фамилию студента и номер учебной группы.

3  Описание свойств линейных и пространственных полимеров применяемых в качестве электроизоляционных материалов электроустановок.

4  Методы определения электрических сопротивлений полярных и неполярных материалов применяемых для изоляции изделий в электроустановках.

5  Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.

6  Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.

7  Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.

8  Обоснованные выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  На какие основные типы делят полимеры?

2.  Какие существуют различия между свойствами линейных и пространственных полимеров?

3.  Какими способностями обладают линейные и пространственные полимеры?

4.  Чем определяется высокая гибкость линейных полимеров?

5.  Охарактеризуйте структурные формы и физическое состояние полимеров применяемых в электроустановках.

6.  Чем определяются электрические свойства полимеров?

7.  Как строение молекулы диэлектрика влияет на электрические свойства полимеров?

8.  Почему стойкость к нагреву является проблемой для электроизоляционных материалов?

9.  Какие полимеры относятся к неполярным материалам и почему?

10.  Почему полярные полимеры обладают пониженными электроизоляционными свойствами?

11.  Как тепловое воздействие влияет на электроизоляционные свойства диэлектриков?

12.  Почему через 40-60сек после начала вращения ручки мегомметра, когда сопротивление изоляции будет определяться только сквозным током утечки?

13.  Почему лабораторный вольтметр следует выбирать с большим внутренним сопротивлением?

14.  Какой порядок проверки работоспособности мегомметра?

15.  Почему и как после окончания измерений в электрических цепях, имеющих большую емкость, необходимо снять накопленный заряд?

16.  В какой последовательности проводят измерения сопротивления изоляции электроустановок мегомметром?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ