Электроматериаловедение, лабораторный практикум, тесты (стр. 5 )

Изучить методы измерения электрической емкости диэлектриков, тангенса угла диэлектрических потерь и определить параметры изоляционных материалов электроустановок напряжением до 1кВ.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1  Изучить виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах электроустановок напряжением до 1 кВ.

2  Изучить прямые и косвенные методы определения электрической емкости различных диэлектриков в конденсаторах и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов.

3  Изучить лабораторную установку, приборы и приспособления для определения электрической емкости диэлектриков и диэлектрических потерь изоляции электрооборудования напряжением до 1 кВ.

4  Выполнить измерения и расчеты электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок напряжением до 1кВ.

5  Провести анализ полученных значений тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок напряжением до 1кВ и сделать выводы по лабораторной работе.

6  Ответить на вопросы преподавателя, оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Любой электроизоляционный материал в рабочем режиме является средой электрического поля электроустановок. Диэлектрик вместе с токопроводящими металлическими деталями, находящимися под разными потенциалами, образуют конденсатор. В идеальной среде электрического поля с проводимостью, равной нулю, при приложении переменной разности потенциалов к электродам и возникновении электрического поля, через диэлектрик будет проходить только реактивный емкостный ток, не вызывающий выделения тепла.

При переменном напряжении емкостный ток проходит в течение всего времени воздействия напряжения, а при постоянном только вначале, пока есть электрическое поле и происходит зарядка конденсатора. Через диэлектрик, электрическая проводимость которого не равна нулю, кроме емкостного тока, будет протекать и активный ток. То есть в условиях эксплуатации в диэлектрике кроме обратимого поглощения энергии будет происходить и необратимое поглощение энергии.

Потери энергии в диэлектрике называют диэлектрическими потерями, которые по физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида: потери на электропроводность, релаксационные потери, ионизационные потери и резонансные потери.

Потери на электрическую проводимость. Данный вид потерь существует в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Если при этом другие виды потерь малы, то частотные зависимости параметров и получают, используя параллельную эквивалентную схему замещения диэлектрика. Потери на электропроводимость зависят от частоты приложенного напряжения, параметр уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Рассмотрим частотные зависимости параметров потерь и тангенса угла диэлектрических потерь (рисунок 1).

Рисунок 1 – Частотные (а) и температурные (б) зависимости потерь на электрическую проводимость диэлектриков

Значение параметра при данной частоте может быть вычислено по формуле:

, (1)

если известно удельное сопротивление , измеренное на постоянном токе, и диэлектрическая проницаемость , измеренная при данной частоте.

Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону:

, (2)

где - постоянные величины для каждого электроизоляционного материала.

В зависимости от температуры параметр изменяется по тому же закону, так как реактивная мощность исследуемого диэлектрика от температуры материала практически не зависит.

Релаксационные потери. Этот вид потерь обусловлен активными составляющими поляризационных токов в электроизоляционном материале электроустановок. Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации. Они проявляются в области высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения электрического поля.

Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах электроустановок со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его электрических свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть полупроводящие вещества, например, восстановленные окислы. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков не существует общей формулы расчета данного вида диэлектрических потерь.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

Резонансные потери возможны в твердых электроизоляционных материалах электроустановок, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний диэлектрика.

Объемные и поверхностные токи утечки в твердых электроизоляционных материалах обуславливают мощность диэлектрических потерь. При определении диэлектрических потерь материала электроустановки обычно учитывается только объемный ток утечки.

В исследуемой электрической схеме реальный конденсатор автоматики электроустановки с потерями заменен идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением. Учитывая, что емкостный ток:

, (3)

то мощность диэлектрических потерь:

(4)

или

, (5)

где - фактическая емкость диэлектрика; - круговая частота сети.

Данная формула определяет количество энергии, рассеиваемой в диэлектрике электрооборудования за единицу времени. Тангенс угла диэлектрических потерь имеет значение как электрическая характеристика диэлектрического материала электроустановки. При эксплуатации электроустановок часто пользуются понятием добротности изоляции , величиной обратной параметру . Данные параметры могут характеризовать как конкретный электроизоляционный материал, так и конструкцию электрической машины или аппарата в целом. Безразмерная величина параметра для большинства жидких и твердых диэлектриков электроустановок колеблется в пределах от десятитысячных до десятых долей единицы.

Известно, что емкость любого конденсатора зависит только от его геометрических размеров и свойств применяемых в нем диэлектрических материалов. Для определения величин емкости диэлектрика и параметра при эксплуатации электроустановок применяют различные методы измерения.

Косвенный метод. Принципиальная электрическая схема с использованием амперметра, вольтметра и ваттметра для реализации данного лабораторного метода показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь

Искомые значения параметров вычисляются по формулам:

, (6)

где

, (7)

. (8)

Недостатки метода: большие аппаратурные затраты и погрешности при расчетах параметров диэлектрика электроустановки.

Прямой метод. При эксплуатации электроустановок параметры емкости СХ и часто определяют при помощи различных измерительных мостов переменного тока.

Электрическая схема универсального измерительного моста Е7-11 представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема универсального измерительного моста Е7-11

Мост уравновешивается изменением величин емкостей С1 и С3. Значения искомых параметров равны:

(9)

. (10)

Формула для расчета параметра показывает, что шкалу переменного конденсатора С1 можно проградуировать непосредственно в значениях тангенса угла диэлектрических потерь, что повышает точность измерений.

Вторая мостовая схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема измерительного моста Р-571 с последовательной (а) и параллельной (б) RC – цепочками

В электрической схеме уравновешивание плеч моста выполняется изменением переменных сопротивлений R2, R3 и R4. Шкалы измеряемых сопротивлений проградуированы в значениях параметров С и , что повышает точность измерений.

Схема универсального моста Е7-11 позволяет производить измерения на частотах 100Гц и 1000Гц, а мост Р-571 только на частоте 1000Гц. Для этого во всех измерительных мостах имеются соответствующие встроенные генераторы рабочей частоты.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторный стенд имеет в своем составе элементы схемы управления, измерения и контроля. В состав установки входят: измерительные мосты Е7-11, Р-571, образцы диэлектриков, измерительные шнуры. В качестве опытных образцов диэлектриков выбраны стандартные конденсаторы как наиболее удобные элементы исследования диэлектрических свойств электроизоляционных материалов, так как:

·  электроды и диэлектрики изготовлены в заводских условиях и надежно герметизированы;

·  электрические свойства исследуемых материалов не зависят от состояния окружающей среды;

·  тип и параметры диэлектрика можно определить по справочнику.

Конденсаторы с исследуемыми диэлектриками закреплены на специальных подставках из электроизоляционного материала и выходами припаяны к медным проводникам для подключения измерительных приборов стенда.

Примечание. Мост Р-571. Диапазоны измерений, пределы погрешностей, области частот, характеристики измерения емкости и параметр «» сведены в таблицу, которая расположена на левой стенке прибора.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В процессе работы необходимо подготовить мосты Еи Р-571 к работе и измерить электрические емкости и углы диэлектрических потерь исследуемых конденсаторов.

Измерительный мост Е7 – 11. Подготовка к работе.

1. Проверить рабочее состояние прибора, для этого установить:

·  переключатель добротность «Q» или параметр «» в положение «»;

·  рукоятки переключателей «Пределы» и «Чувствительность» в крайнее правое положение;

·  рукоятку переключателя «» в положение «0»;

·  переключатель «Множитель» в положение «1000»;

2. Измерить емкость исследуемого конденсатора СХ, уравновешивая плечи моста изменением величин емкостей С1 и С3.

3. Измерить параметр «», для чего выполнить операции:

·  нажать кнопку «Выбор предела» и вращая влево ручку моста «Пределы» до изменения знака напряжения в схеме, выбрать предел измерения параметра «»;

·  отпустить кнопку «Выбор предела»;

·  вращая рукоятки переключателей «Множитель», «» и «Чувствительность» добиться минимального показания прибора;

·  вычислить значение параметра «» по шкалам моста;

4. Записать параметры исследуемого конденсатора в таблицу 1.

Таблица 1 – Параметры образцов конденсаторов автоматики электроустановок и их диэлектрических материалов

Тип конденсатора	Диэлектрик	Емкость по маркировке, мкФ	Отклонение емкости, %	Измеренное значение СХ, мкФ	Параметр

5. Определить типы конденсаторов и номинальные емкости по маркировке на корпусах элементов.

6. Определить диэлектрические материалы всех конденсаторов на специальных подставках. Основные справочные данные конденсаторов по типам:

·  К50-6, К50-12, К50-35 - с оксидными диэлектриками, алюминиевые, электролитические или с фольговыми электродами;

·  К73П-2, К73-17 - пленочные полиэтилентерефталатные (ПЭТ) или лавсановые, с металлизированными электродами;

·  К40У2-9 - бумажные, фольговые;

·  МБМ - металлобумажные, металлизированные;

·  КОН - конденсаторная бумага.

7. Занести данные по исследуемым конденсаторам в таблицу 1.

8. Провести анализ электрических свойств диэлектрических материалов образцов конденсаторов, используя данные таблицы 2.

Таблица 2 – Основные электрические характеристики диэлектрических материалов образцов конденсаторов

Материал диэлектрика	Диэлектрическая проницаемость при частоте 1кГц	Параметр 103 при частоте 1кГц	Удельное сопротиле-ние Ом м	Электрическая прочность мВ / м
Оксид Al2O3	7 – 11	0,3 – 1,0	1	300 – 1000
Оксид Ta2O3	14 – 50	0,5 – 1,0	1	100 – 600
ПЭТ	2,95 – 3,25	5 – 14	1	140 – 180
КОН	3 - 7	2,5 – 3,2	1

9. Провести оценку данных полученных экспериментальным путем (таблица 1) и справочных сведений (таблица 2).

10. Сделать выводы по работе. Оформить и защитить отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Фамилию студента и номер учебной группы.

3. Основные виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах электроустановок.

4. Прямые и косвенные методы определения электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов.

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.  Какие могут быть виды потерь энергии в диэлектрике?

2.  Чем вызваны потери на электропроводимость в диэлектрике?

3.  Чем обусловлены релаксационные потери в диэлектрике?

4.  Как миграционная поляризация влияет на электрические свойства диэлектриков?

5.  При каких условиях возможны резонансные потери в твердых электроизоляционных материалах?

6.  Что обуславливает мощность диэлектрических потерь в твердых электроизоляционных материалах?

7.  Какая зависимость определяет количество энергии, рассеиваемой в диэлектрике за единицу времени?

8.  Какие параметры характеризуют электрические характеристики диэлектрического материала?

9.  Какие достоинства косвенного метода измерения параметров диэлектрических материалов?

10.  Какие недостатки косвенного метода измерения параметров диэлектрических материалов?

11.  Нарисуйте электрическую принципиальную схему для косвенного метода измерения параметров диэлектрических материалов?

12.  Какие достоинства прямого метода измерения параметров диэлектрических материалов?

13.  Какие недостатки прямого метода измерения параметров диэлектрических материалов?

14.  Нарисуйте принципиальную электрическую схему для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь.

15.  Нарисуйте электрическую принципиальную схему для прямого метода измерения параметров диэлектрических материалов.

16.  Перечислите элементы принципиальной электрической схемы универсального измерительного моста Е7-11.

17.  Перечислите элементы принципиальной электрической схемы измерительного моста Р-571 с последовательной RC – цепочкой.

18.  Перечислите элементы принципиальной электрической схемы измерительного моста Р-571 с параллельной RC – цепочкой.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методы определения электрических и общих физических свойств жидких диэлектриков и провести сокращенный анализ параметров трансформаторного масла.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

8.  Изучить методы определения электрической прочности диэлектрических материалов электроустановок в различных агрегатных состояниях.

9.  Изучить методы определения электрических и общих физических свойств жидких диэлектриков.

10.  Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрической прочности и других свойств жидких диэлектрических материалов электроустановок.

11.  Выполнить измерения и расчеты основных параметров трансформаторного масла.

12.  Провести анализ полученных данных и сделать выводы по лабораторной работе.

13.  Ответить на вопросы по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Жидкий диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Значение напряжения в момент пробоя, называют пробивным напряжением , а напряженность электрического поля – электрической прочностью. Если напряжение достигло значения , то сквозной ток увеличивается, напряжение на электродах уменьшается, сопротивление падает, а электропроводность диэлектрика возрастает. Наступает электрический пробой материала (рисунок 1).

Значение напряжения зависит от толщины диэлектрика и конфигурации электродов и свойств самой изоляции. Поэтому пробивное напряжение характеризует не столько свойства материала, сколько способность диэлектрика противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств изоляторов более удобной характеристикой является электрическая прочность жидкого диэлектрика.

Рисунок 1 – Зависимость сквозного тока от напряжения, приложенного к жидкому диэлектрику

Минимальную напряженность однородного электрического поля приводящую к пробою диэлектрика называют электрической прочностью:

. (1)

Напряжение удобно выражать в киловольтах, толщину - в миллиметрах, а прочность – в киловольтах на миллиметр. Если пробой произошел в газообразных и жидких диэлектриках, то благодаря подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. Пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции ЭУ. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока утечки допустимым пределом. Определение прочности производится стандартными методами, что позволяет сравнивать электрические свойства диэлектриков. Пробой жидких диэлектриков возникает в результате электрических, тепловых и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля электроустановки.

Природа электрического пробоя жидких диэлектриков зависит от их чистоты (примесей). Процесс пробоя начинается с инжекции в диэлектрик электронов с катода и образования электронных лавин. Возникают подобные стримеру в газах образования, которые в результате процессов фотоионизации перемещаются от анода к катоду со скоростью м/с. Пробой завершается, когда плазменный канал замыкает электроды диэлектрика. Энергию достаточную для ионизации электроны приобретают при напряженности в 100 раз большей, чем газах.

Чистые жидкие диэлектрики получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические частицы. Наличие примесей усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов потери электрической прочности. В максимально очищенных от примесей жидких диэлектриках при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов изделия и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газами обусловлена меньшей длиной свободного пробега электронов.

Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, которое приводит к образованию газового мостика между электродами диэлектрика. Практика эксплуатации электроустановок свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическую прочность жидких диэлектриков. Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсным напряжением.

Пробой материалов при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности поля для жидких диэлектриков на больших частотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте.

Различают два типа масла: свежее (регенерированное сухое) и эксплуатационное. Нормы параметров различны для свежего масла и эксплуатационного. В электрооборудование, например, трансформаторы, заливают регенерированное или свежее масло. В процессе эксплуатации его качество ухудшается. Масло теряет свою прозрачность, темнеет, в нем образуются механические примеси, взвешенный уголь, кислоты и смолы. Происходит старение трансформаторного масла.