4.ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
4.1.Лабораторная работа № 1.
«Определение электрической прочности твердых и газообразных диэлектриков»
4.1.1. Цель работы
Целью лабораторной работы является научить студентов определять электрическую прочность твердых и газообразных диэлектриков и выявлять зависимости электрической прочности от толщины диэлектрика и конфигурации электродов, формирование навыков использования теоретических сведений к объяснению результатов эксперимента.
4.1.2. Объект исследования
1.Образцы твердых диэлектриков. Материал, размеры образцов и их толщины задаются преподавателем.
2.Воздух. Длины воздушных зазоров задаются преподавателем.
4.1.3. Средства измерения
1.Испытательная высоковольтная установка с максимальным напряжением до 10 кВ. Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 4.1.
2.Вольтметр переменного тока с пределом измерения до 150 В.
3.Микрометр типа МК с пределом измерения 0‒25 мм. Цена деления микрометра — 0,1 мм.
4.Штангенциркуль. Цена деления — 0,1 мм.
4.1.4.Рабочее задание
1.Испытать на электрический пробой образцы твердого диэлектрика различной толщины, определяя пробивное напряжение каждого из них. Число образцов и измерений определяет преподаватель.
65
2.Рассчитать электрическую прочность каждого образца.
3.Произвести электротепловой пробой аналогичных по химическому составу и толщине образцов твердого диэлектрика, определяя пробивное напряжение каждого образца. Количество образцов и измерений такое же, как и при испытании на электрический пробой.
4.Рассчитать электрическую прочность каждого образца при электротепловом пробое.
5.Построить для одних и тех же образцов:
•зависимости Uпр= f(h) при электрическом и электротепловом пробоях в одних осях координат;
•зависимости Епр= f(h) при электрическом и электротепловом пробоях в одних осях координат.
6.Осуществить электрический пробой воздуха при различных толщинах воздушного зазора h, определяя каждый раз значение пробивного напряжения. Электрический пробой произвести для двух сочетаний электродов с различной конфигурацией, заданных преподавателем.
7.Рассчитать электрическую прочность воздуха для каждого пробоя.
8.Построить:
•зависимости Uпр = f(h) для каждого из сочетаний электродов в одних осях координат;
•зависимости Епр = f(h) для каждого из сочетаний электродов в одних осях координат.
9.Сделать выводы по работе.
4.1.5. Методические указания по выполнению рабочего задания
Устройство и принцип действия лабораторной установки
Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых и газообразных диэлектриков приведена на рис. 4.1.
В состав установки входят:
66
•линейный автотрансформатор Т1, предназначенный для регулирования напряжения, подаваемого на испытательный образец;
•высоковольтный трансформатор Т2 с максимальным напряжением вторичной обмотки U2max = 10 кВ и коэффициентом К = 10;
•сопротивление Rогр, предназначенное для ограничения тока в обмотке высокого напряжения при возникновении пробоя образца;
•электромагнитный пускатель: кнопки «пуск» и «стоп»;
•сигнальная лампа «напряжение подано»;
•переключатель режима работы установки «работа — измерение»;
•многопредельный вольтметр.
КВ |
|
«измерение» |
|
|
|
|
«работа» |
I > |
|
|
|
|
||
|
П |
|
|
|
|
«пуск» |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
«стоп» |
Т1 |
V |
Т2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
I > |
|
|
|
КВ |
|
|
|
|
«образец»
Rогр
Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема установки
В нижней части лабораторной установки находится высоковольтный трансформатор и токоограничивающее сопротивление. Эта часть установки закрыта металлическим заземленным экраном, исключающим возможность попадания работающего на установке под высокое напряжение.
На верхней, горизонтально расположенной части установки находятся линейный автотрансформатор, вольтметр, переключатель режима работы и высоковольтная камера со сменными электродами.
67
Принцип действия лабораторной установки заключается в следующем. При закрытой дверце высоковольтной камеры контакты концевых выключателей КВ замкнуты, и электрическая цепь установки подготовлена к работе.
При нажатии кнопки «пуск», расположенной в левом верхнем углу стенда, срабатывает электромагнитный пускатель П, и через его замкнутые контакты напряжение подается на автотрансформатор Т1. Одновременно в камере высокого напряжения загорается сигнальная лампа «напряжение подано». Вторая пара контактов пускателя блокирует кнопку «пуск». Напряжение с выхода автотрансформатора поступает на обмотку низкого напряжения высоковольтного трансформатора, если переключатель режима работы установлен в положении «работа». Это напряжение измеряется многопредельным вольтметром переменного тока. На обмотке высокого напряжения трансформатора создается напряжение, значение которого может быть вычислено по формуле:
U2 = К U1 . |
(4.1) |
Когда напряжение U2 достигает значения, равного напряжению пробоя Uпр, происходит пробой образца, и в цепи вторичной обмотки возрастает ток, амплитуда которого ограничивается сопротивлением Rогр. Возрастание тока вторичной обмотки вызывает соответствующее увеличение тока первичной обмотки трансформатора, в результате которого срабатывает реле максимального тока I >. Контакты этого реле размыкаются, разрывая цепь питания обмотки электромагнитного пускателя. Контакты пускателя размыкаются и отключают стенд от сети.
Обычно пробой образца происходит внезапно, что затрудняет отсчет по вольтметру напряжения, при котором произошел пробой. Поэтому для облегчения отсчета напряжения пробоя предусмотрена возможность работы установки в режиме «измерение». Для перевода установки в этот режим переключатель режима работы устанавливается в положение «измерение». В этом режиме выс о- ковольтный трансформатор отключается от выхода автотрансформатора. Если положение рукояти автотрансформатора, регулирующей его выходное напряжение, сохранить таким же, как и в мом ент пробоя, то после нажатия на кнопку «пуск» вольтметр покажет то же напряжение, что было установлено при пробое.
68
Методика экспериментального определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое
1. Перед началом эксперимента необходимо проверить правильность подключения элементов установки (рис. 4.2), предварительно установив рукоятку автотрансформатора в нулевое положение и открыв дверку камеры высокого напряжения. Лампа «напряжение подано» не должна гореть.
|
0 |
|
«работа» |
|
|
4 |
|
|
«измерение» |
3 |
|
2 |
||
1 |
||
|
||
5 |
|
|
Рис. 4.2. Схема соединения элементов лабораторной установки: |
||
1— высоковольтная камера; 2 — линейный автотрансформатор; 3 — вольтметр; 4 — переключатель режима работы установки; 5 — кнопки «пуск» и «стоп»
2.Установить по указанию преподавателя сменные электроды.
3.Измерить микрометром толщину испытываемого образца диэлектрика. Рекомендуется начинать эксперимент с образца наибольшей величины. Данные измерений записать в таблицу 4.1.
Таблица 4.1
Экспериментальное определение напряжения пробоя и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое
№ п/п |
h, мм |
U1, В |
Uпр, кВ |
Епр, кВ/мм |
Конфигурация |
|
электродов |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: высота столбцов таблицы должна быть рассчитана для записи результатов пробоя 7‒8 образцов.
69
4.Разместить образец между электродами в высоковольтной камере. Для этого необходимо отвернуть стопорный винт верхнего электрода до тех пор, пока последний не начнет свободно перемещаться. Поднять верхний электрод и поместить образец в образовавшийся зазор. Опустить верхний электрод на образец и повернуть стопорный винт в обратном направлении до упора.
5.Закрыть крышку камеры высокого напряжения.
6.Установить переключатель режима работы в положение «работа».
7.Нажать кнопку «пуск». При этом загорается лампа «напряжение подано».
8.Плавно вращая рукоятку автотрансформатора, увеличивать напряжение, подаваемое на образец, до тех пор, пока не произойдет автоматическое отключение напряжения, свидетельствующее о пробое образца. Сигнальная лампа «напряжение подано» должна погаснуть.
9.Переключатель режима работы установить в положение «измерение».
10.Нажать на кнопку «пуск». Сигнальная лампа «напряжение подано» должна загореться.
11.По вольтметру отсчитать напряжение U1, при котором произошел пробой диэлектрика, и записать ее в табл. 4.1.
12.Нажать кнопку «стоп». Сигнальная лампа «напряжение подано» должна погаснуть.
13.Установить рукоятку линейного автотрансформатора в нулевое положение, открыть дверцу камеры высокого напряжения и убрать пробитый образец.
14.Рассчитать пробивное напряжение и электрическую прочность образца по формуле:
Uпр = |
К U1 |
; |
(4.2) |
|||
1000 |
||||||
|
|
|
||||
Епр = |
Uпр |
, |
|
(4.3) |
||
|
|
|||||
|
|
h |
|
|
||
где U1 — действующее значение выходного напряжения автотрансформатора, кВ; Uпр — действующее значение напряжения пробоя образца, кВ; К = 100 — коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора; Епр — электрическая прочность образца, кВ/мм.
Рассчитанные значения Uпр и Епр записать в таблицу 4.1.
70
Методика экспериментального определения электрической прочности твердых диэлектриков при электротепловом пробое
1.Электротепловой пробой производится на образцах диэлектриков, аналогичных по химическому составу и геометрическим размерам образцам, использованным при электрическом пробое. Количество испытываемых образцов
иих толщины задаются преподавателем.
2.Перед началом испытаний необходимо рассчитать значения начального напряжения Uнач и интервал, через который будет изменяться напряжение установки U по следующим формулам:
Uнач = 0,6 Uпр 1000; |
|
(4.4) |
||||
∆U =1000 Uпр |
(1−0,6) |
= |
0,4 |
Uпр 1000, |
(4.5) |
|
6÷7 |
|
6÷7 |
||||
|
|
|
|
|
||
где Uпр — пробивное напряжение образца, полученное при электрическом пробое, кВ; U — интервал, через который изменяется напряжение, приложенное к образцу при электротепловом пробое, В.
3.Выполнить пункты 3‒7 из «Методики экспериментального определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое» данных методических указаний.
4.Плавно вращая рукоятку автотрансформатора, установить напряжение, подаваемое на образец, равным ___.
5.Выдержать образец под действием напряжения Uнач и в течение интервала времени, указанного преподавателем.
6.Вращая рукоятку автотрансформатора, увеличить напряжение на образец на U.
7.Выдержать образец под действием напряжения в течение указанного преподавателем интервала времени.
8.Повторить операции, перечисленные в пунктах 6 и 7, до тех пор, пока не произойдет пробой образца.
71
9.Измерить пробивное напряжение в соответствии с пунктами 9‒13 из «Методики экспериментального определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое».
10.Рассчитать пробивное напряжение и электрическую прочность образца при электротепловом пробое по формулам (4.2) и (4.3). Данные измерений и расчётов записываются в таблицу4.2.Пример заполнения таблицы приведен ниже.
Таблица 4.2
Экспериментальное определение напряжения пробоя и электрической прочности твердых диэлектриков при электротепловом пробое
№ п/п |
h, мм |
Uнач, В |
U, В |
U1, В |
Uпр, кВ |
Епр, кВ/мм |
Конфигурация |
электродов |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11.Построить зависимости Uпр = f(h) при электротепловом и электрическом пробоях в одних осях координат.
12.Построить зависимости Епр = f(h) при электротепловом и электрическом пробоях твердого диэлектрика в одних осях координат.
Методика экспериментального определения электрической прочности воздуха
1.Установить электроды заданной преподавателем конфигурации в высоковольтной камере стенда.
2.Установить необходимую толщину воздушного зазора между электродами. Для этого отвернуть стопорный винт верхнего электрода и разместить калиброванные пластины между электродами. Опустить верхний электрод на поверхность пластин и зафиксировать его положение с помощью стопорного винта. Убрать калиброванные пластины из камеры.
3.Осуществить электрический пробой воздуха в соответствии с пунктами 5‒14 из «Методики экспериментального определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое» данных методических указаний. Электрический пробой воздуха произвести для
72