MU_ElMatVed

ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания

к лабораторным работам

Тверь 2008 г.

УДК 621.3

Методические указания к лабораторным работам составлены в соответствии с учебной программой по курсу “Электроматериаловедение”.

Методические указания содержат описание пяти лабораторных работ по исследованию свойств диэлектрических, магнитных и полупроводниковых материалов.

Составитель: к.т.н. В.В. Воропаев

© Воропаев Виктор Викторович

Работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы – изучение основных закономерностей прохождения тока через диэлектрик и ознакомление с методами определения его удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивлений.

1.Основные положения

Под действием постоянного напряжения через технический диэлектрик протекает ток утечки

Iут = Iск + Iаб ,

(1.1)

где Iск и Iаб – соответственно сквозной и абсорбционный токи, А.

Абсорбционные токи возникают в диэлектриках в результате поляризационных процессов смещения связанных зарядов. По окончании поляризации абсорбционный ток спадает до нуля, а ток утечки становится равным сквозному току (рис. 1.1).

Сквозной ток возникает в диэлектриках за счёт наличия небольшого числа свободных ионов, электронов или коллоидных частиц.

Для твёрдых диэлектриков как абсорбционный, так и сквозной токи имеют две составляющие. Так, например, для сквозного тока

Iск = IV + IS ,

(1.2)

где IV и IS – соответственно объёмный и поверхностный токи, А.

iут

iаб

iск

t

Рис. 1.1. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени

Если объёмный ток обусловлен наличием свободных зарядов в объёме диэлектрика, то поверхностный ток – наличием водо-растворимых загрязнений и плёнки влаги на поверхности диэлектрика (рис. 1.2).

Плотность объёмного тока в однородном и изотропном диэлектрике определяется из выражения

jV = γV E = E ρV ,

(1.3)

где γV – удельная объёмная проводимость диэлектрика, См/м; ρV – удельное объёмное сопротивление диэлектрика, Ом м; Е – напряжённость электрического поля, В/м.

Объёмное и поверхностное сопротивления диэлектриков, как правило, весьма высоки, поэтому для их определения используются чувствительные гальванометры, электрометры и тераомметры, позволяющие измерять токи до 10-17 …10-15 А. На практике для раздельного измерения объёмного IV и поверхностного IS токов применяется, в соответствии с ГОСТ 6433.2-80, трёхэлектродная система (рис. 1.3, а).

В случае плоского образца на обе его стороны наносятся напылённые или прижимные электроды. С одной стороны расположены кольцевой 2 и измерительный 1 электроды, с другой – дисковый электрод 3 (рис. 1.3, а).

При измерении объёмного сопротивления потенциал измерительного электрода 1 оказывается чуть выше потенциала кольцевого электрода 2, поэтому поверхностный ток IS полностью отводится на кольцевой электрод. На измерительный электрод, таким образом, попадает только объёмный ток

IV.

Удельное объёмное сопротивление диэлектрика

ρV = RV S t =US(IV t), (1.4)

где RV – объёмное сопротивление, Ом; S – площадь измерительного электрода, м2; t – толщина образца диэлектрика, м; U – измерительное напряжение, В; IV – объёмный ток, А.

IS

IV

IS

Рис. 1.2. Протекание объёмного IV и поверхностного IS токов через диэлектрик

3

4

а)			3	б)	U
IS		IV	IS		IS
				2	l
	1	Rизм
					b

Рис. 1.3. Электродные системы а) – трёхэлектродная система для измерения объёмного и поверхностного

сопротивлений; б) – двухэлектродная система для измерения поверхностного сопротивления.

При измерении поверхностного сопротивления также применяется система из двух электродов, нанесённых на одну сторону плоского образца (рис. 1.3, б). Электроды имеют форму двух параллельных полос, расположенных на расстоянии b.

Удельное поверхностное сопротивление
ρS = RS l b =Ul (IS b),	(1.5)

где U – измерительное напряжение, В; IS – поверхностный ток, А; l – длина электрода, м, b – расстояние между электродами, м.

Если допустить, что приложенные к диэлектрику электроды обладают достаточно малым сопротивлением и диэлектрик является однородным, то без учёта поверхностной проводимости для тела любой формы и размеров можно ввести понятие приведённой длины Λ.

Приведённая длина диэлектрика Λ имеет размерность длины и однозначно определяет соотношение параметров тела (электрической проводимости G, См, электрического сопротивления, R, Ом, и электрической

ёмкости C, Ф) между электродами и характеристик материала.
Так, электрическая проводимость тела равна	(1.6)
G = γ Λ,
электрическое сопротивление	(1.7)
R = ρ/Λ,
ёмкость	(1.8)
С = ε0 εr Λ.

Для тела длиной h, м, и сечением S, м2, произвольной конфигурации,

но постоянным по всей длине тела (например, проволока или жила кабеля, диэлектрик плоского конденсатора), электрическое сопротивление

R = ρ h/S,	(1.9)
следовательно, приведённая длина этого тела определятся по выражению
Λ = S/h.	(1.10)

Весьма важен случай, когда тело имеет форму трубы, на внешнюю и внутреннюю стороны которой нанесены электроды (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора, изоляция одножильного коаксиального кабеля). Обозначив осевую длину электрода через l, а внутренний и внешний радиусы трубы соответственно через r1 и r2, можем найти сопротивление между электродами, рассмотрев его как результирующее сопротивление последовательно соединенных сопротивлений dR бесконечно тонких слоёв, имеющих толщину dx и радиус х. Сопротивление такого слоя составляет:

dR = ρ dx/(2π x). (1.11)

Интегрируя в пределах от x = r1 до x = r2 , получаем сопротивление

r2	ρ		dx		ρ		r2 .
R = ∫				=		ln			(1.12)
	2π l		x		2π l		r
r							1
1
Следовательно, в этом случае приведённая длина
Λ = 2π l				ln(r2 r1 ).					(1.13)

2.Описание лабораторной установки

Лабораторная установка предназначена для измерения удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивлений твёрдых диэлектриков. Установка включает в себя термостат 3, тераомметр и измерительную ячейку 1 с образцом твёрдого диэлектрика 2 (рис. 1.4).

Тераомметр Е6–13А предназначен для измерения объёмного и поверхностного сопротивлений в пределах от 102 до 1013 Ом. Измерительное напряжение 100 В. Образец твёрдого диэлектрика 2 помещается в измерительную ячейку 1, имеющую трёхэлектродную систему.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Поместить заданный образец твёрдого диэлектрика в измерительную ячейку. Измерительную ячейку подключить проводниками к тераомметру в соответствии со схемой рис. 1.5.

3.2.Включить тераомметр и установить такой предел измерения, на котором можно измерить сопротивление (желательно использовать правую часть шкалы) при температуре окружающей среды.

3.3.В процессе поляризации сопротивление диэлектрика может значительно возрасти. Поэтому измерение сопротивления производится через 1 мин после подачи напряжения на образец.

3.4.Увеличивая температуру, произвести измерения объёмных и

поверхностных сопротивлений образца. Результаты измерений RV и RS записать в табл. 1.1.

3.5.Поместить второй образец материала в измерительную ячейку и повторить измерения согласно п. 3.4.

5

6

1

2

E6-13A

3

Рис. 1.4. Блок-схема лабораторной установки

Таблица 1.1

Образец 1, b = _______

Образец 2, b = _______

Измерено

Вычислено

Измерено

Вычислено

t

RV,

RS,

ρV,

ρS,

t

RV,

RS,

ρV,

ρS,

°C

Ом

Ом

Ом м

Ом

°C

Ом

Ом

Ом м

Ом

RX

Э

	t
d1	δ	RX

		Э	d2
	Л		Л

Рис. 1.5. Схема присоединения электродов к тераомметру а) при измерении RV ; б) при измерении RS

3.6. Рассчитать удельное объёмное сопротивление

ρV = 0,785RV dср2 b

(1.14)

и удельное поверхностное сопротивление

ρS =πdср RS δ ,

(1.15)

где RV и RS – соответственно объёмное и поверхностное сопротивления, Ом; dср = (d1+d2)/2 – средний диаметр, м; d1 – диаметр измерительного электрода, м; b – толщина образца, м; δ = (d2–d1)/2 – ширина зазора между измерительным и кольцевым электродами, м; d1 = 25 мм; d2 = 29 мм.

2. Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать:

−название и цель работы;

−схему присоединения электродов к тераомметру;

−расчётные формулы;

−таблицу с результатами измерений и расчётов;

−графики зависимости удельных объёмных и поверхностных сопротивлений диэлектриков от температуры;

−анализ полученных результатов и выводы по работе.

3.Контрольные вопросы

5.1.Причины возникновения абсорбционного и сквозного токов в диэлектриках.

5.2.Объёмный и поверхностный токи, объёмное и поверхностное сопротивления.

5.3.Виды электропроводности газообразных диэлектриков.

5.4.Электропроводимость жидких диэлектриков. Зависимость электропроводимости от напряжённости электрического поля.

5.5.Электропроводимость твёрдых диэлектриков различного состава.

5.6.Зависимость электропроводности от температуры, напряжения и влажности окружающей среды.

5.7.Влияние влажности среды на поверхностное сопротивление гидрофильных и гидрофобных диэлектриков.

5.8.Методы измерения ρV и ρS. Двух- и трёхэлектродные системы.

5.9.Способы повышения удельного поверхностного сопротивления диэлектриков.

5.10.Причина учёта поверхностного сопротивления только для твёрдых диэлектриков?

7

8

Работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И ЁМКОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы – изучение механизмов поляризации и диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах, приборов измерения ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь изделий.

1.Основные положения

Вдиэлектрике, помещённом в электрическое поле, происходит процесс поляризации. Явление поляризации диэлектрика вызывается смещением электрических зарядов на ограниченные расстояния под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей. Поляризация бывает безынерционная (электронная, ионная), не сопровождающаяся потерями энергии, и инерционная (релаксационная), вызванная такими перемещениями электронов, ионов и дипольных молекул, которые сопровождаются значительными потерями энергии в диэлектрике.

На переменном напряжении с угловой частотой ω ток I через конденсатор с идеальным диэлектриком (т.е. без потерь) опережает по фазе напряжение U на угол π/2. Наличие диэлектрических потерь в конденсаторе с реальным диэлектриком приводит к тому, что ток I опережает напряжение U на угол ϕ < π/2 (рис. 2.1).

а)	I CS RS

UC	UR
	U

в) +j

I

δω

UR

ϕ

U +1

UC

б)		I	IC	CP
			IR	RP
				U
г)	+j		I
	IC
		δ		ω
		ϕ
			IR	U	+1

Рис. 2.1. Последовательная и параллельная схемы замещения диэлектрика с потерями и их векторные диаграммы

Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз ϕ между током и напряжением до π/2, называется углом диэлектрических потерь.

Рассмотрим наиболее распространённые эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями: последовательную (рис. 2.1, а) и параллельную (рис. 2.1, б). В последовательной схеме замещения сумма активной UR и реактивной UC составляющих напряжения даёт приложенное напряжение U. Здесь

	tg δ =	U R	=	IR S	= ωC S R S ,	(2.1)
				I (ωC S )
		U C

а мощность диэлектрических потерь

Pa =	U 2 ωC S tg δ	.	(2.2)
	1 + tg 2 δ

В параллельной схеме замещения сумма активной IR и реактивной IC составляющих тока даёт ток через диэлектрик I. Здесь

tg δ =	I R	=		U R P	=	1	,	(2.3)
	I C
			U ωC P			ωC P R P

а мощность диэлектрических потерь

P	= U 2ωC	p	tgδ .	(2.4)
a

Поскольку Cp ≈ Cs ≈ C, а tgδ << 1, то для обеих схем замещения

P = U 2	ωCtg δ .	(2.5)
a

Если потери в конденсаторе с диэлектриком обусловлены главным образом сопротивлением подводящих проводов с сопротивлением самих электродов, то для анализа используется последовательная схема замещения. В этом случае диэлектрические потери

Pa = U 2 ωCtg δ = U 2 ω2 C 2 R S

(2.6)

возрастают пропорционально квадрату частоты.

Если потери в диэлектрике обусловлены высокой сквозной проводимостью, то используют параллельную схему замещения. В этом случае диэлектрические потери

P = U 2 ωCtg δ =

U 2

(2.7)

a	R p

не зависят от частоты.

Основные методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материалов: мостовые (10-2 …103 Гц), резонансные (103 …108 Гц) и волновые (109 …1010 Гц).

9

10

2.Описание лабораторной установки

Вданной работе ёмкость C и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ конденсаторов и кабелей измеряются в соответствии с ГОСТ 6433.3-80 с помощью моста переменного тока. Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 2.2.

Всхеме моста CX - измеряемая ёмкость, CO – образцовая ёмкость, R3

–переменный резистор, C4 – переменная ёмкость.

	Тр
	CX	CO
	Г
		НИ
	R3	C4
		R4
		экран

Рис. 2.2. Принципиальная схема лабораторной установки

Питание моста осуществляется от генератора синусоидального напряжения. Питание на генератор подаётся от сети 220 В частотой 50 Гц. Указателем равновесия моста является нульиндикатор НИ. Установленный термостат позволяет изменять температуру исследуемых образцов.

3.Порядок выполнения работы

3.1.В работе измеряются ёмкость C и tgδ двух конденсаторов и двух кабелей при частотах 50, 400 и 1000 Гц при различных температурах.

3.2.Снять температурные зависимости ёмкости C и tgδ для металлобумажного конденсатора (МБК) при частоте 50 Гц. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

3.3.Повторить п.3.2. при частоте 400 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.4.Повторить п.3.2. при частоте 1000 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.5.Снять температурные зависимости ёмкости C и tgδ для металлоплёночного конденсатора (МПК) при частоте 50 Гц. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

3.6.Повторить п.3.5. при частоте 400 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.7.Повторить п.3.5. при частоте 1000 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.8.Снять температурные зависимости ёмкости C и tgδ для кабеля с бумажнопропитанной изоляцией (БПИ) при частоте 50 Гц. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

3.9.Повторить п.3.8. при частоте 400 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.10.Повторить п.3.8. при частоте 1000 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.11.Снять температурные зависимости ёмкости C и tgδ для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) при частоте 50 Гц. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

3.12.Повторить п.3.11. при частоте 400 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.13.Повторить п.3.11. при частоте 1000 Гц. Результаты занести в табл. 2.1.

3.14.По результатам измерений построить зависимости ёмкости C и tgδ от температуры при разных частотах 50, 400 и 1000 Гц.

Таблица 2.1

Образец	Изм.	t, °C
	величина	f,Гц
Конденсатор МБК	С	50
		400
		1000
	tgδ	50
		400
		1000
Конденсатор МПК	С	50
		400
		1000
	tgδ	50
		400
		1000
БПИ	С	50
		400
Кабель		1000
	tgδ	50
		400
		1000
СПЭ	С	50
		400
Кабель		1000
	tgδ	50
		400
		1000

11

12

4. Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать:

−название и цель работы;

−схемы замещения диэлектрика, векторные диаграммы и принципиальную схему моста;

−основные расчётные формулы;

−таблицу с результатами измерений;

−графики зависимостей ёмкости C и tgδ от температуры при разных частотах 50, 400 и 1000 Гц для исследуемых образцов.

−анализ полученных результатов и выводы по работе.

5.Вопросы к защите

5.1.Классификация и основные виды поляризации в диэлектрике.

5.2.Сущность диэлектрических потерь и причины их возникновения.

5.3.Обобщённая схема замещения реального диэлектрика. Виды поляризации.

5.4.Параллельная схема замещения диэлектрика с потерями. Область применения и определение по её векторной диаграмме диэлектрических потерь.

5.5.Последовательная схема замещения диэлектрика с потерями. Область применения и определение по её векторной диаграмме диэлектрических потерь.

5.6.Причины возникновения диэлектрических потерь в газах. Зависимость tgδ от напряжения для изоляции с воздушными включениями.

5.7.Диэлектрические потери в неполярных и полярных жидких диэлектриках.

5.8.Причины возникновения диэлектрических потерь в твёрдых диэлектриках различной структуры.

5.9.Зависимость диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков от температуры и частоты электрического поля.

5.10.Зависимость диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от температуры и частоты электрического поля.

5.11.Зависимость ёмкости конденсатора и кабеля от влажности, температуры, частоты приложенного электрического поля. Факторы, влияющие на мощность диэлектрических потерь.

Работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы – ознакомление с основными представлениями о пробое и с методикой экспериментального определения электрической прочности газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков.

1. Основные положения

Пробой диэлектриков происходит в сильных электрических полях и связан с образованием проводящего канала в диэлектрике. Напряжённость поля, при которой диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, называется пробивной напряжённостью, или электрической прочностью Епр. Различают пробой в однородном и неоднородном поле. Приблизительно однородное поле обеспечивается для сферических электродов, если радиус сферы много больше длины зарядного промежутка (толщины диэлектрика).

В случае однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле

Eпр = Uпр/d, (3.1)

где Unp – пробивное напряжение, d – толщина диэлектрика.

В условиях эксплуатации важно знать, какое напряжение способно выдержать то или иное электрическое изделие. Напряжение, приложенное к электрической изоляции изделия, должно быть значительно ниже той величины, при которой наступает электрический пробой. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Unp. Основной же характеристикой материала служит пробивная напряжённость (или электрическая прочность) Епр, определяемая из соотношения (3.1).

Величина электрической прочности характеризует качество диэлектрика и зависит от его свойств. Однако Епр значительно зависит от условий испытания, от толщины диэлектрика, рода тока, скорости подъёма напряжения, формы электродов, температуры, атмосферного давления и прочих условий. Для того чтобы при испытаниях получались воспроизводимые величины Епр для каждого материала, необходимо проводить опыты с соблюдением ряда требований, которые регламентируются ГОСТ 6433.3-80.

На электрическую прочность изоляционных материалов значительное влияние оказывает их неоднородность. Неоднородность диэлектрика вызывает искажение электрического поля, в котором расположен данный диэлектрик.

Предположим сначала, что макроскопически неоднородный диэлектрик находится в переменном электрическом поле и что проводимостью и диэлектрическими потерями его можно пренебречь, то есть

ρ = ∞ и tgδ = 0.

13

14

При этих допущениях единственным параметром диэлектрического материала, который может оказывать влияние на распределение напряжённости электрического поля по его объёму, является относительная диэлектрическая проницаемость εr.

При макроскопически однородном по всему объёму диэлектрике напряжённость электрического поля в каждой точке диэлектрика вообще не зависит от εr диэлектрического материала. Так, в случае плоского конденсатора напряжённость поля определяется по формуле (3.2) для всех точек диэлектрика между обкладками, и поле является равномерным.

E = U/d, (3.2)

где U – напряжение между обкладками, В; d – толщина диэлектрика, м. Цилиндрический конденсатор даёт нам простейший пример

неравномерного электрического поля. Согласно (3.3) максимальная напряжённость имеет место в точках, расположенных в непосредственной близости от внутренней обкладки (при х = r1), а минимальная – в непосредственной близости от внешней (при х = r2).

U	,
E = xln(r2 r1 )		(3.3)

где U – напряжение между обкладками, В; r1 и r2 – соответственно радиусы внутренней и внешней обкладок, м; x – расстояние от оси цилиндрического конденсатора, м.

В плоском конденсаторе, содержащем два (или более) различных диэлектрика, соединенных параллельно, поле равномерно, и его напряжённость также определяется формулой (3.2).

Рассмотрим теперь конденсатор с различными диэлектрическими материалами, слои которых соединены последовательно друг с другом (слоистый диэлектрик). Напряжённость поля в каждом из последовательно соединенных слоёв уже неодинакова. Она будет обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости материала данного слоя. Электрическое смещение D в плоском конденсаторе постоянно во всем объёме диэлектрика; обозначая для двухслойного плоского конденсатора Е1 и E2 – напряжённости в слоях 1 и 2 и εr1 и εr2 – относительные диэлектрические проницаемости материала этих слоев, имеем

D = ε0εr1E1 = ε0εr 2 E2 , откуда εr1E1 = εr 2 E2	(3.4)
Рассчитаем значения напряжённости поля в слоях	двухслойного

плоского конденсатора. Обозначим h1 и h2 – толщины слоёв и U1 и U2 – напряжения на них, получим при последовательном соединении слоёв

U = U1 + U2 = Elh1 + E2h2,

(3.5)

где U – полное напряжение на конденсаторе, В.

Решение системы уравнений (3.4) и (3.5) даёт значения напряжённости поля в обоих слоях

15

E1	= εr 2		U		; E2	= εr1		U		.	(3.6)
		h ε	+ h ε	r1			h ε	+h ε
									r1
		1 r 2	2				1 r 2	2

В общем случае плоского многослойного (m слоёв) конденсатора

Ek =	U	.
	i=m
	εrk ∑(hi εri )	(3.7)
	i=1

Для многослойного цилиндрического конденсатора (общий случай m слоёв) напряжённость на расстоянии x от оси (в k-м слое)

	Ekx =		U				.
		i=m		r
							(3.8)
		εrk x ∑	ln	2i		εri
		i=1
				r1i

где r2i и r1i – соответственно внешний и внутренний радиусы i-гo слоя, м. Как видно из (3.7) и (3.8), в отличие от случая многослойного

плоского конденсатора порядок расположения материалов в слоях цилиндрического конденсатора существенно влияет на напряжённость поля в отдельных слоях. Для того чтобы получить наиболее выгодное распределение (получение более низких максимальных значений напряжённостей), нужно стремиться во внутренние слои многослойного цилиндрического конденсатора помещать диэлектрики с большей εr («градирование изоляции», применяемое, например, в технике силовых кабелей высокого напряжения).

Вышеприведённые формулы для расчёта Ek справедливы для работы многокомпонентной изоляции при переменном напряжении. Для расчёта установившихся (через достаточно большое время после включения напряжения) напряжённостей электрического поля в многокомпонентной изоляции, работающей при постоянном напряжении, в эти формулы вместо значений εri компонентов нужно подставлять значения удельной объёмной проводимости γVi = 1/ρVi соответствующих компонентов. Это объясняется тем, что вместо условия непрерывности вектора электрического смещения D = ε0εriEi в основу расчёта для случая постоянного напряжения должно быть положено условие непрерывности вектора плотности тока сквозной

проводимости jскв = EiγVi.

Следует иметь ввиду, что в многослойном диэлектрике отношение диэлектрических проницаемостей слоёв, как правило, не соответствует отношению их удельных проводимостей, в связи с чем распределение напряжённости электрического поля по толщине изоляции при напряжении постоянного и переменного тока будет различным. Кроме того, распределение напряжённости в изоляции при напряжении переменного тока значительно меньше зависит от перепада температур в изоляции, чем при

16

напряжении постоянного тока, так как εr значительно меньше зависит от	1	2	5	3	6	4	7
температуры, чем γ (ρ) диэлектрика.
2. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка создана на базе аппарата АИМ–80 (рис. 3.1).
Аппарат типа АИМ–80 предназначен для испытания диэлектриков на
электрическую прочность повышенным напряжением переменного тока
частотой 50 Гц.
Конструкция аппарата имеет следующие основные элементы:

˙	бак с высоковольтным трансформатором;
˙	регулятор напряжения (вариатор) с моторным приводом щётки;					1 0
˙	сосуд для испытания (ячейка с электродами);
						8
˙	измерительный	прибор,	сигнальные	лампы,	пускатель	9

	магнитный, реле максимального тока.	Рис. 3.1. Внешний вид лабораторной установки для исследования
	Подъём испытательного напряжения на электродах производится		электрической прочности диэлектриков
	автоматически с помощью электропривода с постоянной скоростью подъёма
	напряжения (3 кВ/с) до пробивного напряжения. Возврат щётки регулятора	KM	T1	UA
	напряжения в нулевое положение может осуществляться путём нажатия на			KM
	кнопку SB2 (6) или автоматически, режим выбирается тумблером S3 (9).	R	VD2	PV

На лицевой панели лабораторной установки (рис. 3.1) расположены:									FV
PV – измерительный прибор, киловольтметр (поз. 1);			AT
HLR – красная лампа (поз. 2);			KM				SB1
HLY – жёлтая лампа (поз. 3);				QS1	QS2		QS3
					KA	QS4			VD1
HLG – зелёная лампа (поз. 4);							KM	T1		T1
					SB2
SB1 – кнопка включения испытательного напряжения (поз. 5);				KL1
			KL2				QS3		KA
SB2 – кнопка включения электродвигателя (поз. 6);
					KL1
S1 – выключатель сети (поз. 7);
S2 – тумблер–выключатель электродвигателя (поз. 8);				KM	S3		KL2
S3 – тумблер–переключатель автоматической/ручной установки нуля									QS3	HLY
напряжения вариатора (поз. 9);				KL1			S2
S4 – тумблер включения вытяжного вентилятора (поз. 10).				KL2			M
									KL2	HLR
						KL1	KL1
Электрическая схема аппарата АИМ–80 представлена	на	рис.	3.2.
				T2
Питание подводится к аппарату от сети 220 В.
				C	C					HLG
			FA1				FA2			T2
			S1				S1
					~220 B
			Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема аппарата АИМ–80

17

18

Если щётка вариатора AT находится в нулевом положении (контакты QS3 замкнуты), дверца, открывающая доступ к испытательному сосуду, закрыта (контакты дверной блокировки QS1 и QS2 замкнуты) и тумблер– выключатель S2 находится в положении "включено", то при нажатии кнопки SB1 срабатывает контактор KM – электродвигатель M начинает перемещать щётку вариатора AT. При этом на выводах вторичной обмотки трансформатора и электродах испытательного сосуда UA начинается равномерно повышаться напряжение. Величина испытательного напряжения контролируется прибором PV.

В момент пробоя диэлектрика срабатывает максимальное реле тока KA, контактор KM обесточивает трансформатор T1 и отключает электродвигатель M, при этом стрелка измерительного прибора PV фиксируется.

Для возврата щётки вариатора AT и стрелки измерительного прибора PV в нулевое положение необходимо нажать кнопку SB2, после чего осуществляется реверс электродвигателя M. Если тумблер S3 находится в положении “Авто”, то установка нулевого положения щётки вариатора происходит автоматически после срабатывания реле максимального тока KA, необходимость нажатия кнопки SB2 отсутствует.

При возвращении щётки вариатора и стрелки прибора в нулевое положение срабатывает блокировка вариатора QS3, отключается электродвигатель и загорается сигнальная лампа HLY (жёлтая), которая укажет на готовность схемы аппарата к повторному включению высокого напряжения.

Сигнальная лампа HLG (зелёная) указывает на включение сети, лампа HLR (красная) – на включении высокого напряжения.

Внимание! Прежде чем включить аппарат под напряжение, необходимо соблюдать следующие правила безопасности:

˙аппарат должен быть заземлён – проверить надёжность заземления;

˙запрещается включать высокое напряжение, если в аппарат не установлен испытательный сосуд;

˙испытания необходимо производить при закрытой дверце, открывающей доступ к испытательному сосуду;

˙не допускается работать на аппарате при напряжении выше 80 кВ;

˙выемку и установку испытательного сосуда следует производить после выключения сетевого выключателя аппарата;

˙испытания необходимо производить, стоя на резиновом коврике;

˙испытания производятся двумя операторами, причём один из них выполняет необходимые операции, а другой – наблюдает за правильностью выполнения этих операций. Остальные лица наблюдают за ходом испытаний и производят необходимые записи в журнал наблюдений.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Исследование электрической прочности газообразного диэлектрика

˙Развести электроды. Если установлен образец твёрдого диэлектрика, то необходимо извлечь его из испытательной камеры.;

˙Осуществить выбор испытываемого газообразного диэлектрика (элегаз или воздух);

˙Величина зазора устанавливается случайным образов при нажатии на кнопку сближения электродов;

˙Произвести измерение пробивного напряжения при температуре окружающей среды и нормальном атмосферном давлении;

˙включить аппарат в сеть, при этом должна загореться зелёная лампа HLG (поз. 4). После включения необходимо проверить, чтобы стрелка измерительного прибора PV (поз. 1) стояла на нуле и горела жёлтая лампа

HLY (поз. 3);

˙нажать кнопку SB1 (поз. 5) включения испытательного напряжения, при этом должна загореться красная лампа HLR (2) и погаснуть жёлтая HLY (поз. 3). После пробоя образца испытательное напряжение автоматически

отключается, величина пробивного напряжения Uпр фиксируется измерительным прибором PV (поз. 1); показания прибора и толщину зазора записать в табл.3.1.;

˙после снятия показания необходимо стрелку измерительного прибора PV (поз. 1) возвратить на нуль путём нажатия на кнопку SB2 (поз. 6). При возвращении стрелки на нуль должна загореться жёлтая лампа HLY (поз. 3); отключить сетевой выключатель S1 (поз. 7). Рассчитать

пробивную прочность Епр по формуле (3.1), результат расчёта занести в табл.3.1.

˙Не изменяя зазора, повторить измерения электрической прочности газа при увеличении температуры, показания прибора записывать в табл.3.1.

˙Не изменяя зазора и уменьшив температуру до температуры окружающей среды, повторить измерения электрической прочности газа при увеличении давления от вакуума, показания прибора записывать в табл.3.1.

3.2.Исследование электрической прочности жидкого диэлектрика

По заданию преподавателя испытательный сосуд заполняется

трансформаторным маслом или перфторуглеродной жидкостью, устанавливается зазор между электродами, и производится пробой в порядке, описанном в п. 3.1.

Необходимо снять зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика от температуры. Результаты сводятся в табл.3.2.

3.3.Исследование электрической прочности твёрдого диэлектрика

Пробой твёрдых диэлектриков производится в специальной

измерительной ячейке, снабженной прижимными электродами. Чтобы

19

20