3. Розрахунок електричної міцності діелектриків
Мінімальна напруга U пр прикладена до діелектрика і така, що приводить до появи у ньому каналу провідності, називається напругою пробою. Залежно від того, чи замикає канал обидва електроди, пробій може бути повним, неповним або частковим. Для твердих діелектриків можливий також поверхневий пробій, після якого ушкоджується поверхня матеріалу, яка утворює на органічних діелектриках вуглецевий слід.
Залежність напруги пробою від часу називають кривою життя електричної ізоляції. Зменшення U пр з часом відбувається із-за механічного старіння ізоляції – необоротних процесів під дією тепла, і електричного поля.
Електричною міцністю називають напруженість електричного поля при пробої ізоляції в однорідному електричному полі:
Uпр пр d
де E пр [В/м] – електрична міцність; U пр [В] – напруга пробою; d [м] – товщина діелектрика. Також електричну міцність виражають в одиницях як, мВ/м та кВ/м.
Для експериментального дослідження пробою використовують електроди різної форми, між якими поміщають діелектрик. Випробування діелектриків на пробій проводять в однорідному і неоднорідному електричних полях. У газоподібних і рідких діелектриках однорідність поля зазвичай забезпечується шляхом надання поверхні електродів певної форми, наприклад сферичної.
,
E
Однорідне поле в твердих діелектриках можна отримати, якщо піддати їх механічній обробці, видавлюючи або висвердлюючи в них лунки з сферичною поверхнею. Така обробка може порушити структуру діелектрика, тому необхідно контролювати якість зразків.
Для встановлення простих закономірностей і механізму пробою діелектриків цей процес проводять в однорідному і неоднорідному електричних полях. Для отримання неоднорідного поля використовують електроди типа вістря-вістря або вістря-плоскість. Значення U пр у неоднорідному полі значно менше, ніж в однорідному із-за підвищення середнього значення напруженості поля поблизу електроду з малим радіусом кривизни.
У даній лабораторній роботі для дослідження впливу форми електродів на пробій твердих діелектриків використовуються чотири типи електродів: плоскість-плоскість (верхній електрод – торець циліндра, що є плоскістю із закругленими краями); сфера великого і малого радіусу – плоскість; вістря-плоскість.
Велике практичне значення має завдання вивчення електричної міцності неоднорідних, композиційних і шаруватих діелектриків. До таких діелектриків відноситься кабельний або конденсаторний папір, просочений ізоляційним маслом. Електрична міцність (Eпр) декількох шарів паперу залежить від мікро-неоднорідностей або точкових пошкоджень окремих шарів паперу, форми електродів, площі їх поверхні, а також від щільності паперу, товщини листа і прошарку масла між листами і їх діелектричних властивостей, наявності газових вкраплень.
Як для постійного, так і для змінного струму E пр шарованого діелектрика залежить від розподілу напруженості електричного поля по окремих шарах і від іонізації повітряних вкраплень.
Простим шарованим діелектриком є діелектрик, що складається з двох плоско-паралельних шарів з різними електричними характеристиками. За
умови змінного струму, в кожному шарі напруженість поля прямо пропорційна діелектричній проникності (), а для постійного – питомій електричній провідності () матеріалу шару. Такий розподіл
напруженостей визначається формулами:
1 2 1 2 E2 1 E2 1
Наприклад, у масляного конденсаторного паперу діелектрична проникність П 4,5, а у масла М 2, 2 і відповідно, питома електрична
E
E
,
провідність Б 10−11(Омм)−1, М 10−9 (Омм)−1, то в пакеті з просоченого маслом конденсаторного паперу при змінному струмі напруженість електричного поля більше в шарі масла, а на постійному – в шарі паперу. Тому на змінному струмі пакет паперу пробивається при меншій напрузі, чим на постійному. Цьому сприяє також і наявність повітряних вкраплень в багатошарових діелектриках, в якому на змінному струмі відбувається більше розрядів в одиницю часу, чим на постійному струмі. Зменшенню електричної міцності при розрядах сприяє і те, що утворюються при цьому озон і оксиди азоту, які руйнують папір. Цей процес називають старінням.
Опис віртуального стенду
Завантажена віртуальна лабораторна робота відкривається на вкладці із завданням на її виконання (рис 1.2):
Рис. 1.2 – Завдання для виконання в віртуальній лабораторній роботі
У завданні наводиться номер варіанту завдання (варіант завдання необхідний для перевірки результатів експериментів), описуються необхідні дії, які необхідно виконати студенту, матеріал зразка, температура при проведенні досвіду, мінімальна і максимальна кількість шарів діелектрика, товщина шару, коефіцієнт трансформації, кількість випробувань. У завдання входить два експерименти для кожного експерименту призначений окремий стенд, перехід від стенду до стенду і в до вкладки завдань здійснюється клацанням миші на закладці у верхній частці стенду.
Типові завдання для виконання роботи
Експеримент №1. Дослідження електричної міцності діелектрика від його структури.
1. Зберіть електричну схему експерименту, перетягуючи за допомогою миші клеми. В разі правильного з'єднання лінія з'єднання стає видимою, інакше клема повертається на місце. Тільки після успішного з’єднання провідників стенд може бути включений (рис 1.3).
Рис. 1.3 – Стенд для вимірювання електричної міцності діелектрика залежно від числа шарів
2. Включіть стенд, натискуючи на кнопку “Включити” при цьому кнопка перестане бути активною.
3. Виберіть тип електроду, натискаючи на зображення електроду. Після цього електрод з'явиться у випробувальній камері.
4. Перемістите мишею зразок з сховища в нижній частці стенду у випробувальну камеру. В разі правильного виконання операції, зразок зафіксується в камері.
5. Запустіть процес вимінювання напруги пробою, для цього натисніть кнопку “Запуск” віртуального вимірювача напруги пробою, який зафіксує її на верхньому табло приладу; стан стенду після пробою зображений на
рис. 1.4. Зафіксуйте напругу пробою, розрахуйте електричну міцність діелектрика для даної товщини зразка (2-14).
Рис. 1.4 – Пробій діелектрика в вимірювальній камері
6. Вимірювання електричної міцності проводиться для заданого набору шарів, визначеного в завданні на виконання лабораторної роботи. Після виконання дослідів з одним типом електроду, необхідно вибирати наступний електрод і провести всі вище перелічені дії для нового електроду.
7. Після виконання всіх вимірювань, побудуйте графік залежності електричної міцності діелектрика від кількості шарів в ньому, для кожного типу електродів.
Експеримент №2. Дослідження залежності напруги пробою від температури діелектрика.
1. Зберіть електричну схему експерименту, перетягуючи за допомогою мишки відповідні клеми. В разі правильного з'єднання лінія з'єднання стає видимою, інакше клема повертається на місце. Тільки після успішної збірки стенд може бути включений (рис. 1.5).
2. Включіть стенд, натисніть на кнопку “Включити”, встановіть необхідну температуру в термостаті, потім натискуйте кнопку “Включити”.
Рис. 1.5 – Стенд дослідження залежності пробою діелектрика вів температури
3. Запустіть процес вимірювання напруги пробою, який поступово піднімає напругу на первинній обмотці трансформатора і фіксує на верхньому табло приладу напругу пробою; зафіксуйте напругу пробою і в таблиці для даної температури.
4. Заміните пробитий зразок діелектрика, для цього натисніть кнопку “Замінити”, цей процес вимірювання напруги пробою в залежності від температури повторюється для кожного з зразків діелектрика (5 разів).
5. За результатами дослідів побудуйте графік залежності U пр від температури, та зробіть відповідні висновки.
Звіт по лабораторній роботі повинен містити: тему та мету лабораторної роботи;
завдання до лабораторної роботи;
схематичне зображення віртуальних вимірювальних стендів;
всі розрахункові формули, які використовувались для обробки результатів експериментів;
таблиці з результатами експериментів;
графіки залежності експериментальних залежностей; висновки про експериментально отримані результати.
Контрольні питання
1. Що таке електрична міцність діелектриків? 2. Які причини пробою діелектриків?
3. Характерні риси електричного і теплового пробоїв. 4. Методика вимірювання напруги пробою.
5. Причини “старіння діелектрика в електричному полі. 6. Властивості конденсаторних паперів і лакотканей.
7. Які особливості пробою композиційних (шарованих) діелектриків? 8. Чому явище пробою діелектриків носить статистичний характер?
Лабораторна робота №2
ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ОПОРІВ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Мета роботи: ознайомлення зі стандартними методами вимірювань при постійному струмі питомого об'ємного V і поверхневого S опорів твердих діелектриків. Визначення характеру залежностей S і V від напруги і температури.
Завдання роботи: Ознайомитися з:
фізичними основами і характеристиками явища електропровідності твердих діелектриків;
впливом різних факторів на електропровідність діелектриків;
стандартними методами визначення питомого об'ємного і питомого поверхневого опорів при постійному струмі;
порядком проведення роботи, обробкою отриманих результатів і правилами оформлення звіту про виконану роботу.
Виконати:
за допомогою віртуального стенду побудувати електричну схему для дослідження електропровідності твердих діелектрика в залежності від його температури;
розрахувати питомий об'ємний опір діелектрика відповідно до результатів вимірювань;
за допомогою віртуального стенду побудувати електричну схему для дослідження залежності об'ємного і поверхневого опорів від напруги для відповідного матеріалу, діапазону та кроку вимірювань, вказаних в завданні;
розрахувати об'ємні і поверхневі питомі опори відповідно до експерименту та побудувати відповідні графічні залежності;
провести аналіз отриманих результатів та оформити звіт по виконаній роботі.
Теоретичні відомості