Лабник

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ) НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Цель работы — определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg различных электроизоляционных материалов в зависимости от изменения частоты электрического поля, а также ознакомление с одним из стандартных методов определения этих диэлектрических характеристик.

Домашнее задание

Изучите:

1)физические основы и характерные черты различных видов поляризации диэлектриков на высоких частотах;

2)виды и физическую природу диэлектрических потерь;

3)влияние частоты электрического поля и температуры окружаю-

щей среды на величины и tg .

4)методику определения и tg твердых электроизоляционных материалов на высоких частотах (выше 10 кГц) резонансным методом;

5)порядок проведения работы;

6)порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

В работе для определения и tg диэлектриков на высоких частотах используется резонансный метод измерения емкости и добротности конденсаторов с помощью измерителя добротности (куметра).

Измерение основано на двукратной настройке в резонанс последовательного колебательного контура, содержащего образцовую индуктивную катушку L и конденсатор переменной емкости С (рис. 1, а).

Сначала, не подключая испытуемый конденсатор, изменением емкости С контур настраивают в резонанс, когда комплексное сопро-

23

Рис. 1. Принципиальная схема измерительного колебательного контура куметра без подключенного образца (а) и с подключенным образцом (б)

тивление контура минимально, а реактивные составляющие общего сопротивления контура равны, то есть

L 1 C .

Резонанс фиксируют по максимальному показанию Q1 проградуированного в единицах добротности вольтметра Q.

Далее испытуемый конденсатор, который может быть представлен в виде параллельной схемы замещения (С и R), включают параллельно емкости С (рис. 1, б). При неизменных частоте и индуктивности L контур вновь настраивают в резонанс. Теперь настройку контура производят изменением (уменьшением) переменной емкости С от значения С1 до С2 так, чтобы

С1 = C2 + Сх.

Значение добротности Q2, соответствующее резонансу в контуре с подключенным испытуемым конденсатором, меньше Q1 из-за диэлек-

трических потерь в конденсаторе Сх.

Тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора tg рассчитывают по формуле

где C1 и Q1 — соответственно значения емкости С и добротности контура Q в резонансе без образца; С2 и Q2 — то же с образцом.

24

Рабочее задание

1. При температуре (20±5) °С на частоте 1 МГц определите и tg образцов твердых диэлектриков, выбранных по указанию преподавателя.

2.Рассчитайте погрешность определения и tg .

3.Снимите зависимости и tg от частоты в диапазоне от 50 кГц до 10 МГц (10—12 точек, по указанию преподавателя) для предложенных образцов диэлектриков.

5.Сделайте письменные выводы по проведенной работе.

6.Оформите протокол проделанной работы.

Порядок проведения работы

Исследования образцов проводятся с помощью измерителя добротности Е4-7, предназначенного для эксплуатации в интервале частот от 50 до 35 МГц.

Перед началом работы следует ознакомиться с прибором, комплектом образцовых индуктивных катушек, предлагаемыми образцами твердых электроизоляционных материалов, типовым рабочим заданием и указаниями преподавателя. Начинать работу можно только по разрешениию преподавателя в следующем порядке.

1.Для подготовки прибора к работе тумблер питания переводится

вположение “СЕТЬ”, при этом должна загореться сигнальная лампочка. Прибор будет готов к работе после 30-минутного прогрева.

2.Подготовьте образцы диэлектриков для испытаний. В случае необходимости проведите измерение геометрических размеров образцов и электродов.

3.После прогрева производится калибровка прибора, для чего, установив переключатель “Частота kHz/MHz” на требуемый поддиапазон, ручкой “Частота kHz/MHz” поставьте стрелку на нужную частоту. Переключатель “ Q – Q” поставьте в положение “Q”, а тумблер

“Измерение-калибровка Q ” — в положение “Калибровка Q ”. Ручкой “Калибровка Q ” стрелка измерительного прибора устанав-

ливается точно на риску под знаком “ ”. После этого тумблер “Из- мерение-калибровка Q ” ставится в положение “Измерение”. При-

бор готов к измерениям.

25

4.Из комплекта индуктивных катушек подберите такую, которая может резонировать на частоте измерения (диапазон частот указан на катушке), и подключите ее к клеммам “L”.

5.Настройте измерительный контур в резонанс. Для этого нажатием кнопки “ ” изменяйте емкость конденсатора переменной ем-

кости, добиваясь максимального значения Q. В случае необходимости нужно перейти на другой диапазон Q. Точная настройка контура в резонанс проводится нониусным конденсатором. Проведите калибровку в соответствии с п. 3 Порядка проведения работы, зафиксируйте (запишите) полученные значения С1 и Q1 .

6. К клеммам Сх подключите исследуемый конденсатор. Контур вновь настройте в резонанс, произведите калибровку и зафиксируйте

значения С2 и Q2.

Внимание! При работе на шкалах Q “300” и “1000” необходимо предварительно включить переключатель “ Q – Q” в положение “ Q >” и ручкой

“Нуль Q” установить стрелку указателя Q на отметку “0”.

7. После выполнения всего объема испытаний для завершения работы необходимо выполнить следующие операции.

7.1.Снять образцовую индуктивную катушку и уложить ее в контейнер.

7.2.Отключить образцы от прибора.

7.3.Получить разрешение преподавателя на окончание работы.

7.4.Выключить питание прибора тумблером “СЕТЬ”.

Обработка результатов измерений

1. В случае использования плоских образцов диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле

14,4Cx h ,

D2

где h — толщина образца, см; D — диаметр измерительного электрода, см; Сх — емкость образца, пФ.

2. Расчет погрешностей измерения и tg ведется по формулам

26

Контрольные вопросы

1.Объясните методику проведения эксперимента.

2.Объясните, как изменятся полученные зависимости при изменении температуры окружающей среды.

3.Что такое диэлектрическая проницаемость (абсолютная, относительная, диэлектрическая проницаемость вакуума) и какова ее зависимость от внешних факторов (температуры, частоты, напряженности электрического поля)?

4.Дайте характеристику быстрых и медленных видов поляризации диэлектриков.

5.Назовите виды диэлектрических потерь в полярных и неполярных диэлектриках.

6.Дайте характеристику исследованных материалов, опишите технологию их получения, основные свойства, области применения.

Список литературы

1.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с. (Гл. 3; § 6.14, 6.16, 6.17).

2.Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных материалов и изделий. — Л.: Энергия, 1980. — 213 с. (Введение, гл. 3).

3.Бородулин В.Н. Диэлектрики. — М: Издательство МЭИ, 1993. — 60 с. (Гл. 3).

27

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы — определение и исследование электрической прочности композиционных (слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты.

Общие положения

Для экспериментального исследования пробоя используют электроды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испытания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однородность поля обеспечивается обычно путем придания поверхности электродов определенной формы, например сферической с радиусом R, значительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками, или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электрического поля в средней части между электродами. Приблизительно однородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подвергнуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя твердых диэлектриков исследования проводят в однородном и неоднородном электрическом полях. Для получения неоднородного поля используют электроды типа острие острие или острие плоскость. Значение напряжения пробоя Uпр в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значения напряженности поля Eср = Uпр/h вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Некоторые образцы электродов, применяемых для получения однородного и неоднородного электрических полей, приведены на рис. 1.

В данной лабораторной работе для исследования влияния формы электрода на пробой твердых диэлектриков используются четыре типа электродов: плоскость плоскость (верхний электрод — торец цилиндра, представляющий собой плоскость с закругленными краями); сферы большого и малого радиуса — плоскость (верхние электроды аналогичны 1 и 2 на рис. 1); острие — плоскость (4 на рис. 1).

28

Рис. 1. Образцы электродов для испытаний на пробой в однородном и неоднородном электрических полях:

1 — электроды Роговского; 2 — сферические; 3 — полусферические выемки; 4 — острие против плоскости; 5 — два острия; 6 — коническое углубление против плоскости

Для оценки результата эксперимента необходимо оценивать форму пробоя диэлектрика. Поэтому напомним, что наиболее вероятны три формы пробоя: электрическая, электротепловая (тепловая), электрохимическая. Возможен также пробой смешанного типа или иные формы пробоя, например электромеханическая, электротермомеханическая и др.

Наиболее часто в диэлектриках встречается тепловой пробой, возникающий, если необратимое увеличение диэлектрических потерь приводит к нарушению теплового равновесия диэлектрика.

При тепловой форме пробоя пробивное напряжение уменьшается: с ростом температуры из-за увеличения активной проводимости и диэлектрических потерь; при увеличении времени приложения напряжения, так как электротепловые процессы, связанные с разогревом диэлектрика, требуют определенного времени; при увеличении частоты электрического поля из-за роста диэлектрических потерь, пропорциональных квадрату частоты. Электрическая прочность, характери-

зуемая Eпр, уменьшается (Uпр растет нелинейно) при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев диэлектрика. Пробой диэлектрика происходит в месте наиболее плохой теплоотдачи в окружающую среду, т.е. в случае диэлектрика в виде пластины пробой происходит в центре диэлектрика. Время развития теплового пробоя около 10–2 10–3с, а Eпр около 10 МВ/м.

Электрический пробой связан с внутренним строением диэлектрика и обусловливается ударной ионизацией электронами или раз-

рывом связей между атомами, ионами или молекулами и происходит за время 10–5 10–8с.

Напряженность Eпр практически не зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, геометрических размеров образца,

29

вплоть до толщин порядка 10–4 10–5 см. По сравнению с воздухом, у которого Eпр 3 МВ/м, и тщательно очищенными жидкими диэлектриками, имеющими Eпр до 102 МВ/м, пробой твердых диэлектриков

наступает при Eпр, достигающей значений 102 103 МВ/м. При толщине образца менее 10—20 мкм имеет место электрическое упрочнение — существенноеувеличениеЕпр приуменьшенииh.

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Время развития это-

го вида пробоя составляет 103 108 с. Столь большое время связано с изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Срок службы изоляции с момента подачи на нее электрического напряжения вплоть до пробоя называется временем жизни, и оно зависит в первую очередь от химической природы материала, его строения, величины приложенного напряжения.

Большое практическое значение имеет задача изучения электрической прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектриков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бумага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая

прочность (Епр) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точечных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и прослойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия газовых включений.

Как на постоянном, так и на переменном токе Епр слоистого диэлектрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений.

Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном — удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределение напряженностей определяется формулами

Е1/Е2 = ε2/ ε1 ; Е1/Е2 = γ2/ γ1.

Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлектрическая проницаемость εб = 4,5, а у масла εм = 2,2 и соответственно удельная электрическая проводимость γб = 10–11 (Ом·м)-1, γм =

30

= 10–9 (Ом м)–1, то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на переменном токе напряженность электрического поля больше в слое масла, а на постоянном — в слое бумаги. Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньшем напряжении, чем на постоянном. Этому способствует также и наличие воздушных включений, неизбежных в многослойных диэлектриках, в которых на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению электрической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азота, разрушающие бумагу. Этот процесс называется старением.

В зависимости электрической прочности от числа листов пропитанной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для

пакета из 6 7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в

самом диэлектрике. Рост Епр в этом случае можно связать с уменьшением вероятности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете, а уменьшение Епр после достижения максимума связано с ростом неоднородности электрического поля и неоднородности слоистого диэлектрика (пакета листов).

В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напря-

жения и электрической прочности, а также определение разброса разности между максимальной и минимальной измеренными величинами. Так как физическое явление пробоя диэлектрика имеет статистический характер, то множество измеряемых величин обычно укладываются в нормальное распределение. Для статистической оценки

совокупности значений Uпр предусматривается расчет следующих величин статистических параметров: разброса значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, 90%-ного доверительного интервала. Следует иметь ввиду, что в ряде случаев, согласно [1], для характеристики опытных данных по пробою диэлектриков могут кроме нормального распределения использоваться логарифмически нормальное распределение. Поэтому прежде всего необходимо построить гистограмму для большого количества опытов и определить, подчиняется ли нормальному распределению непосредственно контролируемые величины. Пример гистограммы для пробивных напряжений керамических конденсаторов показан на рис. 2 [7].

31

Рис. 2. Гистограмма пробивных напряжений керамических конденсаторов. Среднее значение пробивного напряжения Uпр = 4459 В

Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, аналогичную рассмотренному примеру, согласно работе [6], целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности (на рис. 2 выше 5000 В), соответствующую идеальному диэлектрику и, повидимому, мало отражающую прочность реальных материалов; область значений (примерно от 3000 до 5000 В), отражающую процессы в реальном диэлектрике с присущими ему микроскопическими дефектами; область низких пробивных значений, соответствующую минимальным вероятностям разрушения изоляции (в примере до 3000 В). Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соответствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными.

Описание лабораторной установки

1.Стенд состоит из двух устройств, измерительного и высоковольтного, соединенных между собой блокировочным 14 и измерительным 13 кабелями. Внешний вид устройств приведен на рис. 3.

2.На передней панели измерительного устройства (рис. 3, а) расположены цифровой индикатор выходного напряжения 15, кнопка “ПУСК” 17, кнопка “СБРОС” 19, соответствующие светодиоды 18 и 20, сигнализирующие о нажатии кнопок “ПУСК” и “СБРОС”, и светодиод 16, индицирующий событие пробоя.

На задней панели измерительного устройства расположены гнездо 23 блокировки сети, клемма 21 защитного заземления, розетка 22 для подключения сигнального кабеля 13 от высоковольтного устройства, сетевой шнур 26, сетевой выключатель 25 и два держателя предохранителей, закрытые защитной крышкой 24.

32