3.5. Контрольные вопросы

1. Что называется электрической прочностью воздуха?

2. Что такое ионизационный потенциал?

3. Каков механизм ударной ионизации?

4. Какой механизм фотонной ионизации газа?

5. Что такое лавина и стример?

6. Что такое коэффициент импульса?

7. Как зависит электрическая прочность воздуха от расстояния между электродами в однородном поле?

8. Как зависит электрическая прочность газа от давления и как на практике используется эта зависимость?

9. Какова особенность пробоя газа в неоднородном поле?

10. Как зависит пробивное напряжение воздуха от расстояния между электродами “игла-плоскость” при различной полярности иглы?

11. Что такое поверхностный разряд?

12. Как влияют атмосферные условия на электрическую прочность воздуха?

Лабораторная работа m – 4 измерения тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости

Инструкция по технике безопасности и охране труда

При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать все требования общей инструкции по технике безопасности в лабораториях ТВН и ЭТМ. Кроме того, при работе на высоковольтном стенде необходимо выполнить следующие требования.

1. Проверить наличие заземления корпусов высоковольтного трансформатора и моста МД–16, а также целостность заземления заземляющей штанги.

2. Перед включением установки под напряжение вывести ЛАТР в нулевое положение (против часовой стрелки) и убедится в отсутствии заземляющей штанги на высоковольтной ошиновке.

3. Не превышать значение напряжения, заданного преподавателем.

4. При входе за ограждение для выполнения переключений необходимо наложить заземляющую штангу на высоковольтный вывод трансформатора.

Целью работы является практическое ознакомление с методами и аппаратурой, применяемой для измерения тангенса диэлектрических потерь при напряжении промышленной и высокой частоты, а также изучение влияния на диэлектрические потери различных факторов.

4.1. Предварительные сведения

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери энергии в диэлектриках имеют место как при постоянном, так и при переменном напряжении. При постоянном напряжении они обусловлены сквозной проводимостью и характеризуются значениями удельного объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении диэлектрические потери, кроме сквозной электропроводимости, обусловлены медленными видами поляризации, а в диэлектриках с газовыми включениями – еще и ионизационными процессами в них.

В качестве характеристики диэлектрических потерь на переменном напряжении используют угол диэлектрических потерь или его тангенс.

Углом диэлектрических потерь называют угол , дополняющий до 90 угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Чем больше потери, тем меньше угол и больше угол диэлектрических потерь и его функция . На рис. 4.1, 4.2 представлены параллельная и последовательная схемы замещения диэлектрика и векторные диаграммы для них.

Рис. 4.1. Параллельная схема замещения диэлектрика и векторная диаграмма

Рис. 4.2. Последовательная схема замещения диэлектрика и векторная диаграмма

Для последовательной схемы замещения диэлектрические потери определяются как и .

Для параллельной схемы замещения – и .

Из условия эквивалентности обеих схем замещения получены следующие соотношения между параметрами этих схем:

, .

Для высококачественных диэлектриков значением можно пренебречь по сравнению с единицей, тогда и

. (4.1)

Как правило, при измерении производится и измерение емкости образца . Зная геометрические размеры электродов и образца, можно рассчитать относительную диэлектрическую проницаемость материала образца. В частности, для плоского образца:

, (4.2)

где – толщина образца, м;

– площадь электродов, м²;

Ф/м.

Для двухслойного диэлектрика при последовательном включении слоев:

,

где , – емкости первого и второго слоев;

, – первого и второго слоев.

Относительная диэлектрическая проницаемость двухслойного диэлектрика

,

где , , ;

и – объем первого и второго слоев.

Для плоского образца при одинаковых площадях электродов , и . Тогда

. (4.3)

. (4.4)

Для плоского образца трехслойного диэлектрика при одинаковых площадях электродов:

, (4.5)

. (4.6)

Т ангенс угла диэлектрических потерь на промышленной частоте измеряют высоковольтными мостами типа МД–16, Р525, Р5026. Инструкция по применению моста МД–16 приведена в прил. 2. Принципиальная схема (прямая) измерения тангенса угла диэлектрических потерь мостами указанных типов представлена на рис. 4.3, а схема подключения оборудования лабораторного стенда – на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Принципиальная схема измерений тангенса угла диэлектрических потерь мостом переменного тока (мост включен по нормальной схеме): Т – испытательный трансформатор; С_х – испытуемый объект; С_о – высоковольтный образцовый конденсатор; R₃ – магазин сопротивлений; R₄ – постоянное активное сопротивление; C₄ – магазин емкостей; Р₁, Р₂ – разрядники; НИ – нуль-индикатор

Для измерений мостовым методом необходимо, изменяя значения и , добиться равновесия моста, при котором ток в цепи нуль-индикатора равен нулю. При равновесии моста имеют место следующие равенства:

, (4.7)

. (4.8)

где , – значения емкости, мкФ, и сопротивления, Ом, соответственно, при равновесии моста;

– емкость измеряемого объекта, пФ;

– емкость образцового конденсатора ( пФ);

, Ом, с^-1.

Тогда формула (4.7) примет вид

или в процентах . (4.9)

На высокой частоте измеряется с помощью специальных мостов, либо измерителем добротности, величина которой обратно пропорциональна . В лаборатории кафедры измерение добротности выполняется с помощью измерителя добротности Е9–5А. Инструкция по его применению приведена в прил. 3.

Резонансные методы применяются в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до 200 МГц. Принцип работы измерителей добротности, работающих на основе резонанса, можно объяснить с помощью схем рис. 4.5.

Измерительный контур представляет собой последовательный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора. Схема замещения катушки индуктивности включает в себя индуктивность , ее активное сопротивление и емкость катушки (рис.4.5,а). Емкость контура состоит из параллельно включенных переменной емкости, измерителя и емкости объекта . Катушка может быть представлена также в виде эквивалентных параметров и (рис. 4.5,б).

К измерительному контуру подводится напряжение заданной частоты от генератора высокой частоты. Первоначально изменением емкости настраивают измерительный контур без образца в резонанс с частотой генератора по максимальному отклонению стрелки вольтметра .

а )

б)

Рис. 4.5. Принципиальные схемы резонансного метода измерения добротности

При резонансе ток в контуре (при условии пренебрежения активным сопротивлением конденсатора ) равен , а напряжение на конденсаторе .

Тогда .

Значение истинной добротности можно получить по формулам: или , где – емкость конденсатора измерителя, при которой измерено значение .

Практически расхождение между и не превосходит 5÷10 %.

Таким образом, принцип действия измерителя добротности заключается в измерении напряжения , подводимого к контуру, и напряжения на конденсаторе контура при резонансе. При показания -вольтметра, измеряющего напряжение , пропорционально и его шкала может быть проградуирована в единицах добротности.

Обычно значения добротности контура и емкости, полученные при настройке контура в резонанс без образца, обозначают, как и . После этого параллельно конденсатору подключается испытуемый образец, контур снова настраивается в резонанс и измеряют значения и . Тогда , где .