Материаловедение

	На передней панели прибора расположены:
1 – индикатор результата измерения;		9 – индикаторы режима измерения
2	– кнопки выбора поддиапазона;		емкости;
3	– индикатор шкалы;	10	– индикатор выбора канала;
4	– индикатор температуры;	11	– индикатор связи с ЭВМ;
5	– кнопки выбора температуры;	12	– кнопка выключателя «Сеть»;
6	– индикатор нагрева;	13	– кнопка переключения канала;
7	– термокамера;	14	– кнопка переключения режима
8	– индикаторы режима измерения		измерения емкости;
	индуктивности;	15	– кнопка переключения режима
			измерения индуктивности.

3.2. Порядок работы с прибором

Включите кнопку «Сеть» 12 (рис. 27), при этом загорится индикатор шкалы 3, индикатор результата измерения 1, индикатор температуры 4, индикаторы 8, 9, 10.

Поднимите шторку термокамеры 11. Вставьте измерительную камеру с образцом до упора. При этом шторка термокамеры должна опуститься.

Установите кнопкой 14 требуемый режим измерения (емкость или тангенс угла потерь). Кнопками 2 установите требуемый диапазон. При этом индикатор 1 укажет на выбранную шкалу (шкала 0–10 – линейный режим работы, а шкалы 1–3 и 3–10 – обратно пропорциональный режим работы).

Кнопкой 13 установите требуемый канал для измерения. Контроль выбора канала осуществляется с помощью индикатора 10.

С помощью кнопок 5 устанавливается требуемое значение температуры термокамеры. При первом нажатии кнопки на индикаторе 4 высветится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через 2 с после завершения установки индикатор 4 перейдет в режим отображения текущей температуры.

Внимание: не устанавливайте нового значения температуры до завершения измерений при текущей температуре.

Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 30 °С. При этом на экране высветится сообщение «OFF».

При осуществлении связи с ЭВМ загорится индикатор 11.

61

Сообщения, выдаваемые прибором

При работе прибора на индикаторе 1 могут отображаться следующие сообщения:

L – измеряемая величина C ниже выбранного диапазона; H – измеряемая величина C выше выбранного диапазона;

P – измеряемое значение тангенса потерь C выше выбранного диапазона;

A – при измерении активная составляющая больше реактивной (tgδ>1).

Важно: перед началом работы сформируйте файл отчета. Для этого запустите на Рабочем столе пиктограмму файла «Отчет» и заполните предлагаемую форму. Затем сохраните ее, нажав клавишу <ЗАПИСЬ>.

3.3. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Провести измерения С и tg диэлектрика на фиксированной частоте при комнатной температуре (образец выдается преподавателем). По полученным результатам измерения рассчитать значение (см. расчетные формулы).

2. Снять температурную зависимость и tg в диапазоне от начальной температуры до 80 °С. Для этого установите последовательно следующий температурный ряд: 40, 60, 80 °С. Интервал между измерениями должен быть 10 мин. Для каждой температуры фиксируйте значения емкости С и тангенса угла потерь. По окончании измерений отключите нагрев образца и осторожно выньте измерительную камеру с образцом из термокамеры. Измеренные и вычисленные данные заносятся в табл. 8.

Т а б л и ц а 8

Т оС	С	tg

Расчетные формулы:

tg δ = 1.8 Ч1010

εfρV

ε= C h ,

ε0 S

62

где h – толщина образца, равна 4 мм; S – площадь верхнего электрода (радиус = 30 мм); 0=8.85 Ч10-12 Ф/м.

Обработку результатов выполнять в пакете MS Excel или Origin. Снятые с прибора данные занести в таблицу и рассчитать дополнительные параметры. Графики температурных зависимостей аппроксимировать Spline функцией. Для тангенса потерь построить зависимость ln(tgδ) – 1/T(K), выполнив линейную аппроксимацию экспериментальных точек, и определить эффективную энергию активации носителей заряда (см. лабораторную работу № 1, формулу (14)). Вставить графики в отчет, заполнить таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета ORIGIN (OPJ) или MS Excel) и отчет с именем: <фамилия И.О.>_3. Рабочая папка: МиЭЭТ/<Номер группы>.

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Расчетные формулы и таблицы измерений.

2.Графики зависимостей (T), tg (Т), ln(tgδ) – 1/T

3.Вывод.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите основные виды поляризации диэлектриков. В каких диэлектриках и при каких условиях проявляется каждый вид?

2.Что называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика? Какова величина этой характеристики у различных групп диэлектриков?

3.Какие вещества преимущественно обладают мгновенной элек-

тронной поляризацией? Как таких веществ изменяется с ростом частоты поля и температуры?

4.Какими видами поляризации преимущественно обладают вещества с ионным строением с плотной и неплотной упаковкой ионов? Как таких веществ изменяется с ростом частоты поля и температуры?

5.Какие виды поляризации характерны для полярных диэлек-

триков? Как таких диэлектриков зависит от частоты поля и температуры?

6. Физический смысл параметра tg . Связь активных потерь мощности Pa и tg .

63

7.Назовите основные виды диэлектрических потерь. В каких диэлектриках и при каких условиях проявляется каждый вид?

8.Как изменяется tg с ростом частоты поля и температуры в диэлектриках, обладающих мгновенными видами поляризации?

9.Как изменяется tg с ростом частоты поля и температуры в полярных диэлектриках?

10.Диэлектриком плоского конденсатора является слоистый материал размером 100х100 мм2 и толщиной 1 мм. Определить потери

мощности в диэлектрике при постоянном напряжении 1 кВ, если удельное объемное сопротивление диэлетрика 1010 Ом·м

11.Определить значение переменного напряжения на конденсаторе, если при частоте сигнала 2 кГц рассеиваемая мощность составляет

6 мкВт. Площадь обкладок 10 см2, толщина диэлектрика 5 мм, = 4, tg = 0.001. Поверхностной утечкой пренебречь.

12. Как изменится величина рассеиваемой мощности в конденсаторе из задачи 11, если заменить диэлектрик на полярный с = 8 и tg = 0.01?

64

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ЗАВИСИМОСТЬ tg ДИЭЛЕКТРИКА

ОТ НАПРЯЖЕНИЯ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Экспериментальное определение зависимости tg от U для диэлектрика с газовыми включениями.

2.Определение напряжения, при котором наступает ионизация газа в порах.

3.Установление влияния напряжения на емкость и диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

2.1.Зависимость tg от напряжения

Зависимость tg от приложенного напряжения U называемая кривой ионизации, является важной характеристикой изоляционного материала. Она позволяет рассчитать мощность, рассеиваемую внутри изолятора, сделать заключение о пористости, напряжении начала ионизации пор Uи, установить предельное рабочее напряжение изоляции.

Мощность рассеиваемой энергии (мощность потерь) в сильных полях вызывается как механизмами, имеющими место в слабых полях, так и дополнительным механизмом – ионизацией газовых включений в порах диэлектриков, потому что электрическая энергия заряженной поры после разряда переходит в тепло. Ионизация газовых включений начинается лишь после U і Uи, когда напряженность электрического поля в порах достигает значения электрической прочности газовых включений. Электрическая прочность, в свою очередь, зависит от размеров поры и состава газа.

Ионизация газа в порах наряду с выделением тепла в ряде случаев сопровождается химическими превращениями материала изолятора. Особенно сильно химические изменения происходят в органических

65

tg δ	tg δ		tg δ
U	Uи	U	Uи	U
a	б		в

Рис. 28. Зависимость tg от напряжения на образце

пористых диэлектриках. Дело в том, что из-за ионизации происходит образование химически активных частиц газа, ускоряющих химические превращения. Например, если пора заполнена воздухом, то электрический разряд в ней превращает кислород и химически инертный азот в озон и окислы азота. Образовавшиеся газы разрушают почти все виды органической изоляции. Изоляционные свойства материала вследствие этого резко ухудшаются.

Одним из экспериментальных методов, позволяющих определить наличие газовых включений и Uи, является измерение зависимости tgот U. Метод основан на том, что дополнительные потери на ионизацию приведут к увеличению tg при U > Uи. Крутизна подъема тем больше, чем выше ионизационные потери, больше пористость. На рис. 28 показана зависимость tg от U для трех различных случаев: сплошной диэлектрик (рис. 28, а), пористый (рис. 28, б) и изолятор, составленный из двух стеклянных пластин с газовой прослойкой между ними (рис. 28, в).

2.2. Электрические поля в неоднородных диэлектриках

Для выяснения факторов, влияющих на tg , рассмотрим конденсатор с различными диэлектрическими материалами, слои которых соединены последовательно друг с другом (слоистый диэлектрик). Напряженность поля в каждом из последовательно соединенном слое неодинакова. Она будет обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материала данного слоя.

66

На самом деле, вектор электри-

U

ческого смещения D в плоском кон-

денсаторе постоянен во всем объеме

Е1

Е2

диэлектрика; обозначая,

как указано

1

на рис. 29, Е1 и Е2 напряженности в

2

слоях 1 и 2, 1 и 2 – диэлектриче-

ские проницаемости

материалов

h1

h2

этих слоев, мы имеем D = 1 0E1 =

Рис. 29. Двухслойный конденсатор

= 2 0E2, откуда

E1

=

2

.

(23)

E2

1

Обозначив h1 и h2 – толщину слоев, а U1 и U2 – напряжения на них, получим при последовательном соединении слоев:

U = U1 + U2 = E1h1 + E2h2,

(24)

где U – полное падение напряжения.

Решение системы уравнений (23) и (24) дает значение напряженности поля в обоих слоях:

E1 = ε2	U	,
	h1ε2 + h2ε1
E2 = ε1	U	,	(25)
	h1ε2 + h2ε1

после чего находятся и напряжения на слоях

U1 = E1h1 , U2 = E2h2 .

Приведенные формулы справедливы для работы двухслойной изоляции под переменным напряжением. Для расчета установившихся (через достаточно большое время после включения напряжения) напряженностей электрического поля в двухслойной изоляции, работающей под постоянным напряжением, в эти формулы вместо значений 1 и 2 можно подставить значения удельной объемной проводимости 1 и 2 соответствующих компонентов. Исходя из непрерывности вектора электрического смещения D = 1 0E1 = 2 0E2 в основу расчета

67

для случая постоянного напряжения должно быть положено условие непрерывности вектора плотности тока:

I = 1E1 = 2E2,

(26)

где 1 2 – проводимости слоев.

Решив систему уравнений (24) и (26), получим значения напряженностей поля и напряжений в слоях при постоянном напряжении:

E1 = γ2	U	, E2	= γ1	U
	h1γ2 + h2γ1			h1γ2 + h2γ1

				U1 = E1h1; U2 = E2h2 ,			(27)
откуда	E1	=	γ2	. Для переменного напряжения	E1	=	ε2	.
	E2		γ1		E2		ε1

Проводимость газов при нормальных условиях составляет около 10-15…10-16 Ом-1 Чсм-1, а диэлектрическая проницаемость – примерно 1 (например, воздуха 1.00058). Что же касается широко распространенных изоляционных материалов (заливочные компаунды, асбоцемент, текстолит, миканит, гетинакс, лакоткани), то их проводимость может колебаться в широких пределах (10-7-10-12 Ом-1 Чсм-1), а диэлектрическая проницаемость – примерно от 3.5 до 16.

Значительные расхождения в проводимостях и диэлектрических проницаемостях газа и твердых диэлектриков приводят к резкому различию напряженностей в газовой поре и материале изолятора: напряженность в поре E1 будет значительно больше напряженности в материале диэлектрика, что приведет к возникновению так называемых «частичных» разрядов в диэлектрике, т.е. пробоя газовых включений, а это вызовет увеличение tg .

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1.Описание установки

Вработе № 4 измерение зависимости tg от U проводится мостовым методом с использованием высоковольтного моста P595.

Электрическая схема измерительной части установки показана на рис. 30.

68

PH Tр	Z0
Z2 Cх		C0
U
	НИ
R3	R4
Р1	Z4	Р2
Z3
ЭКРАН

Рис. 30. Электрическая схема установки

Принцип измерения сводится к следующему. Схема через регулятор напряжения РН подключается к сети 220 В. Напряжение с РН подается на повышающий трансформатор Тр, а с него – к противоположным вершинам моста, в плечи которого включены исследуемый конденсатор Сх, эталонный конденсатор C0, магазин сопротивлений R3 и емкость C4. Параллельно C4 присоединено постоянное сопротивление R4. В диагональ моста включен нуль – индикатор НИ. Кроме того, к вершинам диагонали подключены газовые разрядки P1 и P2, соединенные другим концом с заземленным выводом высоковольтного трансформатора. Изменением R3 и C4 добиваются равновесия мостовой схемы, т. е. выравнивания потенциалов вершин диагонали моста. При равновесии должно выполняться условие: произведение полных (комплексных) сопротивлений противоположных плеч равно 0 3 = 2 4 .

Для устранения краевых разрядов у кромок электродов и удаления воздушных включений между электродами и образцом испытания проводятся в ванне с трансформаторным маслом.

С целью исключения поверхностных токов используется охранный электрод, непосредственно присоединенный к заземленному экрану.

69

Этим самым поверхностные токи испытываемого изолятора выводятся из плеч мостовой схемы.

Разрядники в данной схеме имеют охранное значение.

Работу при светящихся разрядниках следует немедленно прекратить, отключить установку от сети и поставить в известность преподавателя или лаборанта!

3.2.Порядок выполнения работ

Всвязи с тем, что исследование характеристик материалов на вы-

соковольтном мосте проводится при напряжениях, достигающих 10 кВ, студент должен детально изучить правила техники безопасности, получить у преподавателя исчерпывающую инструкцию, ознакомиться с устройством и действием автоматической блокировки и только после этого приступить к выполнению работы, соблюдая следующую последовательность действий.

1.При включенном рубильнике (вилке) ознакомиться с элементами установки и ее монтажным исполнением.

2.Установить ручки в положения: «Чувствительность»– «Выкл».

«R3» – «50» «tg » – «5,0»

«А» – «+ tg » (полож. 1)

«В» – 10 кВ (Сх = 3 Ч10- 5 - 6 Ч10- 3 мкФ).

3.Тумблер «Сеть» включено.

4.Плавно установить требуемое рабочее напряжение (поочередно устанавливается значение напряжений 1, 2, 3...10 кВ).

5.Установить минимальную чувствительность моста.

6.Произвести уравновешивание моста регулировкой «R3» (стрелка индикатора должна занять положение ближе к «0»; чувствительность постепенно повышают, но не выше «60»). Если индикатор удалось установить в положение «0», то п. 7 не выполняется.

7.Произвести уравновешивание регулированием «tg ».

8.Произвести отчет получившихся значений tg и R3.

9.Вычислить для всех напряжений значение Сх по формуле.

1		(k = 104 Ом), C0 = 50 (пФ).
Cx = kC0
	R3
		70