ЭЛЕКТРОТЕХ МАТЕРИАЛЫ ЛАБ_ РАБОТ

Регулировкой ручек осциллографа «усиление по оси x» и «усиление по оси y», «ослабление» (в положениях 1:1%, 1:10%, 1:100%) добиться на экране изображения, подобного по форме показанному на рис. 7.3.

Путем наложения кальки на экран зарисовать предельную петлю гис- терезиса. Затем, не перемещая кальку, поставить рукоятку осциллогра- фа «усиление по оси x» в нулевое положение, нанести на бумагу ось y и отметить lВ (см. рис. 7.3). Затем рукоятку «усиление по оси x» возвратить в первоначальное положение и поставить «усиление по оси y» в нуле- вое положение, отметить lН и нанести ось x. После этого рукоятку «уси- ление по оси y» возвратить в первоначальное положение и добиться совпадения петли гистерезиса на кальке с изображением на экране ос- циллографа.

Значения lВ и lН, соответствующие Вmax образца, занести в табл. 7.4.

Таблица 7.4

Результаты измерений

Не отнимая кальку от экрана осциллографа, плавно снизить напря- жение на выходе генератора до нуля вращением ручки «регулировка выхода»; снять основную кривую намагничивания, отмечая вершины пе- тель гистерезиса, как показано на рис. 7.3 и 7.4, затем ручку «регулиров- ка выхода» генератора возвратить в исходное положение.

Подключить ламповый вольтметр В3-13 параллельно сопротивлению R (рис. 7.5) на вход «x» осциллографа и измерить UR. Переключатель пределов измерений вольтметра должен находиться в положении «3 В». Подключая вольтметр к конденсатору С (на вход «y» осциллографа), измерить UС. Переключатель пределов измерений вольтметра устано- вить в положение 300 мВ или 100 мВ. После замера необходимо пере- ключатель пределов измерений переставить в положение «3 В». Ре- зультаты измерений умножить на 2 .

Изменяя частоту ручкой «частота Н» генератора, зарисовать на этой же кальке предельные петли гистерезиса для указанных в табл. 7.3 частот.

При частотах свыше 200 Гц установить переключатель «множитель» в положение «10». Значение частоты для каждой петли указать на каль- ке. Для всех образцов порядок распределения основных характеристик одинаков.

81

Определить значение максимальной напряженности поля образца по формуле (7.7).

Определить амплитудное значение индукции по формуле (7.12) (ве- личины подставлять в единицах системы СИ).

Определить динамическую магнитную проницаемость по формуле

где μ0 = 4π ×10−7 Гн/м – магнитная постоянная.

Результаты расчетов записать в табл. 7.5.

Перенести предельные петли гистерезиса и основную кривую намаг- ничивания на миллиметровку. Разметку осей сделать в единицах В, Гн, и Н (Тл, А/м).

Задавая значения Н (шесть точек), по основной кривой намагничива- ния найти соответствующее значение В. По формуле

определить значение µ и занести в табл. 7.5.

По полученным данным построить зависимость µ=f(Н) для всех ука- занных преподавателем образцов в одних осях и одинаковом масштабе.

Определить по формуле (7.3) величину удельных потерь энергии при γ=7,4 г/см3 для всех указанных в табл. 7.3 частот. Данные расчетов за- нести в табл. 7.6 и построить зависимость Р=f(f).

Таблица 7.6

Результаты вычислений

f, Гц

S, мм2

P, Вт/кг

82

7.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать :

– описание цели работы;

– схему включения приборов;

– основные расчетные формулы;

– таблицы результатов измерений и вычислений, графики;

– выводы по результатам эксперимента.

7.5. Контрольные вопросы

1.Чем объяснить явление ферромагнетизма у магнитных материалов?

2.Какие вещества относятся к парамагнетикам?

3.От чего зависит величина μ0?

4.Почему магнитная проницаемость вещества при достижении μmax уменьшается при увеличении Н?

5.С чем связано появление петли гистерезиса?

6.Что такое НC и от чего зависит его величина?

7.Как будет выглядеть кривая намагничивания при медленном изме- нении знака Н?

8.От каких факторов зависит площадь петли гистерезиса?

9.Как влияет частота перемагничивания f на величину потерь мощ- ности?

10.Чем отличаются магнитомягкие материалы от магнитотвердых?

11.Какие существуют методы, уменьшающие потери мощности от вихревых токов?

8. Лабораторная работа № 6 СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Цель работы: изучить нелинейные свойства одного из видов сопро- тивления на основе карбида кремния – дисков рабочих сопротивлений вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений (ОПН).

8.1. Общие сведения

Вентильный разрядник служит основным аппаратом защиты изоля- ции электрических станций и подстанций от перенапряжений. В общем случае он состоит из многократного искрового промежутка и включенно- го последовательно с ним блока дисков рабочего сопротивления.

К материалу, из которого изготовляются эти диски, предъявляется следующее основное требование – способность резко менять свое со- противление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание больших токов при высоких напряжениях и очень малых токов при пони-

83

женных напряжениях. Другими словами, он должен обладать нелиней- ной вольт-амперной характеристикой.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульс- ный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при

существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разряд- ника.

После окончания процесса ограничения перенапряжения через раз- рядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим током.

Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых, по сравнению с перенапряжениями, рабочих напряжениях, со- провождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способ- ностью, т. е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропуск-

ная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора, и если она недостаточна, то разрядник возможно использо- вать только для ограничения кратковременных перенапряжений грозо- вого происхождения. В настоящее время изготовляют нелинейные рези- сторы, позволяющие возложить на разрядники также и функцию ограни- чения более длительных внутренних перенапряжений.

В качестве главного составляющего, обеспечивающего нелинейность вольт-амперной характеристики, при изготовлении требуемого материа- ла применяется карбид кремния SiC (карборунд).

На поверхности зерен карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO2. При небольшом напряжении, приложенном к зерну карбида кремния, удельное сопротивление запор- ного слоя составляет 104÷106 Ом·м. В то же время удельное сопротив- ление самого зерна карборунда весьма невелико – около 100 Ом·м. По- этому практически все приложенное напряжение приходится на запор- ный слой. Но сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от на- пряженности электрического поля: при повышении напряженности со- противление запорного слоя резко падает и величина рабочего сопро- тивления начинает определяться собственно карборундом. Это приво- дит к понижению общего сопротивления материала по мере роста при- ложенного напряжения.

Поскольку сопротивления из несвязанных зерен карбида кремния яв- ляются нестабильными (боятся тряски, ударов и легко изменяют свои

84

характеристики), эти зерна скрепляют специальным связывающим ве- ществом. При применении глинистой связки получают материал, назы- ваемый «тиритом». В настоящее время в качестве связки используют жидкое стекло, получая так называемые «вилит» и «тервит». Из этих материалов, подвергнутых обжигу, и формируют диски сопротивлений для вентильных разрядников.

Вольт-амперная характеристика диска, В, имеет вид, изображенный на рис. 8.1, и достаточно точно описывается уравнением

где С – постоянная, зависящая от рода материала и геометрических раз- меров изготовленного диска (численно равна падению напряжения на данном сопротивлении при протекании через него тока в 1 А), В/А; I – ток, протекающий через диск, А; α – коэффициент нелинейности (показатель

Используемый в настоящее время вилит имеет величину α' = 0,13÷0,20 (в диапазоне грозовых токов 3÷5 кА) и α''= 0,28÷0,32 (в диапазоне величин сопровождающего тока промышленной частоты 50÷70 А). У тервита зна- чение коэффициента α' = 0,2÷0,28; используемый ранее тирит имел со-

ответственно α' = 0,14÷0,25 и α'' = 0,31÷0,42.

В последнее время разработаны резисторы металло-оксидные диски на основе окиси цинка. Такие резисторы обладают значительно боль- шей нелинейностью. Коэффициент нелинейности резисторов в области коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03÷0,05. При огра- ничении грозовых перенапряжений, когда токи достигают значений не- скольких килоампер, коэффициент нелинейных возрастает до 0,07÷0,1.

85

Наличие резисторов с такими коэффициентами нелинейности позволи- ло отказаться от искровых промежутков вентильных разрядников. За- щитные аппараты названы ограничителями перенапряжения (ОПН).

8.2. Описание установки

Для снятия вольт-амперной характеристики нелинейных сопротивле- ний в лабораторной работе используется схема, показанная на рис. 8.2.

~220 В

V РV

Рис. 8.2. Схема включения приборов для снятия вольт-амперной

характеристики

При данной схеме измерения величина статического сопротивления, Ом, испытуемых образцов может быть найдена по формуле

где rmA – внутреннее сопротивление миллиамперметра на данном пре- деле измерения, Ом.

Но поскольку Ι rmA<<U, с достаточной для практики точностью значе- ние статистического сопротивления, Ом, можно вычислить по прибли-

женной формуле

8.3. Порядок выполнения работы

Собрать схему для снятия вольт-амперной характеристики нелиней- ных сопротивлений согласно рис. 8.3. Убедиться в том, что положение ползунка регулировочного реостата R соответствует минимуму пода- ваемого напряжения.

86

После проверки схемы руководителем снять вольт-амперные харак- теристики заданных образцов нелинейных сопротивлений. Напряжение, подводимое к испытуемому диску, плавно повышается с помощью регу- лировочного реостата R, включенного по схеме делителя напряжения, и контролируется по показаниям вольтметра. Начиная со значения U=30 В, через каждые 10 В производится отсчет по миллиамперметру тока в це- пи, соответствующего данному напряжению. При необходимости следу- ет изменить пределы измерения приборов. Результаты измерений зано- сятся в табл.8.1.

Определить значение статического сопротивления испытуемых об- разцов для рассмотренных значений напряжения.

Построить зависимость статического сопротивления от величины приложенного напряжения.

Построить вольт-амперные характеристики U=f(I) и зависимости со- противления от величины тока, протекающего по нелинейному сопро- тивлению R=f(I), для всех испытаний образцов в одних осях координат.

Произвести аппроксимацию вольт-амперной характеристики испы- туемых сопротивлений по уравнению (8.1), найдя значения постоянных α и С по опытным данным для каждого из испытаний образцов.

Для этого нужно на полученной опытным путем вольт-амперной ха- рактеристике взять две точки 1 и 2 (см. рис. 8.1), возможно дальше от- стоящие одна от другой (к примеру, точка 1 может быть взята до переги- ба, а точка 2 дальше перегиба кривой). Для каждой из этих точек соглас- но уравнению (8.1) можно составить систему уравнений

Решение системы уравнений (8.4) относительно постоянных дает

следующее выражение

87

По полученным уравнениям рассчитать и построить вольт-амперную

характеристику испытанных сопротивлений в одних осях координат с характеристиками, построенными по данным табл. 8.1.

8.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

–описание цели работы;

–принципиальную схему установки;

–таблицы измеренных и вычисленных величин;

–данные электроизмерительных приборов, использовавшихся в работе;

–расчетные формулы и примеры вычислений;

–графики U=f(I), R=f(I), R=f(U) для всех испытанных образцов, а так- же аппроксимированный график U=f(I);

–выводы по результатам работы.

8.5. Контрольные вопросы

1.Опишите принцип действия и основные характеристики вентиль- ных разрядников.

2.Какими путями достигается уменьшение остающегося напряжения разрядника?

3.Чем объяснить нелинейную зависимость сопротивления материа- ла резистора от приложенного напряжения?

4.Как влияют постоянные α и С на основные характеристики вен- тильных разрядников?

5.Дайте характеристику пропускной способности нелинейного эле- мента разрядника.

9. Лабораторная работа № 7 ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ

Цель работы: проверить экспериментально величины диэлектриче-

ских потерь и диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика и характеристику частотной зависимости для исследуемого материала;

ознакомиться с одним из методов измерения диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.

9.1. Исследуемый материал

В данной работе исследуется масляно-канифольный компаунд. Ком- паундами называются смеси различных органических веществ. Масля- но-канифольный компаунд представляет собой смесь 20 % трансформа- торного масла с 80 % канифоли.

88

Трансформаторное масло – нейтральный диэлектрик, канифоль – диэлектрик с характерными полярными свойствами. В исходном состоя- нии масляно-канифольный компаунд – твердое вещество, при темпера- туре 170–190 °C расплавляется и переходит в жидкое состояние. При охлаждении вновь затвердевает, следовательно, он называется «тер- мопластический компаунд горячей заливки». Применяется при монтаж- ных работах для заливки кабельных соединительных, ответвительных и концевых муфт (в кабельной технике известен под названием кабельной массы). Заливка компаундом различных концов кабелей в муфтах слу- жит для того, чтобы влага не проникла в изоляцию. При пропитке порис- той бумажной изоляции компаунды обеспечивают ее высокую влагостой- кость и влагонепроницаемость, так как при охлаждении они полностью затвердевают и в них не остается пар от испаряющегося растворителя, что может наблюдаться при пропитке лаками. Кроме того, пропитка ком-

паундом позволяет увеличить пробивные напряжения между отдельными разделенными фазами силового кабеля, а также фазами и корпусом муфты. Компаунд применяется для заполнения воздушных промежутков вокруг катушек, выходных трансфоматоров и дросселей, что улучшает условия отвода тепла потерь и позволяет повысить мощность электриче- ских аппаратов. В процессе работы из исследуемого материала изготов- ляется плоский конденсатор. Толщина диэлектрика 3 мм.

9.2. Общие сведения

Важнейшими электрическими характеристиками диэлектрика явля- ются диэлектрическая проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, определяющий диэлектрические потери.

Диэлектрическая проницаемость – характеристика поляризации ди-

электрика. По диэлектрической проницаемости можно судить о способ- ности диэлектрика создавать электрическую емкость определённой ве- личины.

Диэлектрические потери – это мощность внешнего электрического поля, которая затрачивается на поляризацию диэлектрика и в конечном итоге выделяется в виде тепла:

Любой диэлектрик можно заменить параллельной схемой замещения

(рис. 9.1).

Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз ϕ до 90°, называется углом ди- электрических потерь (рис. 9.2).

Тангенс этого угла для параллельной схемы замещения

89

Частотные характеристики tgδ, Ра и ε полярного диэлектрика изо- бражены на рис. 9.3.

Рис. 9.1. Параллельная схема замещения

9.3. Описание испытательной установки

Измерение tgδ и ε на высокой частоте осуществляются с помощью измерителя добротности Е 9-4.

Измеритель добротности Е 9-4 получил широкое распространение в

лабораторной и производственной практике при измерениях в области частот от 5 до10 кГц (рис. 9.4).

Измерительный контур индуктивно связан с широкодиапазонным ге- нератором, частота которого устанавливается в требуемом поддиапа-

зоне с помощью переключателя и конденсатора переменной емкости и может быть отсчитана по шкале.

90