Электротехническое материаловедение. Учебное пособие

Как видно из рис. 2.4, зависимость Ра1 = f(t) имеет две точки пересечения с прямой Рt = f(t) и, следовательно, два установившихся режима при t1раб и t1кр. Учитывая, что в условиях эксплуатации не исключается дополнительный разогрев изоляционного материала за счет посторонних источников тепловой энергии, рабочая температура может случайно возрасти. Если с учетом возможного возрастания t1раб < t1кр, то тепловой пробой не произойдет, так как количество тепла, выделяемое внутри диэлектрика, возрастает медленнее, чем увеличивается теплоотдача. Если за счет дополнительного нагрева установится соотношение t1раб >t1кр, то количество тепловой энергии, выделяемой в изоляционном материале, превысит теплоотдачу, и температура будет расти до полного разрушения диэлектрика. С ростом напряжения зависимость Ра = f(t) смещается вверх (см. кривую 3, полученную при U2 >U1). При тех же самых условиях охлаждения повышение напряжения приводит к росту рабочей температуры

(t2раб > t1раб) и уменьшению критической температуры (t1кр > t2кр).

Таким образом, как видно из рис. 2.4, увеличение напряжения приводит к возрастанию рабочей температуры за счет роста количества тепла, выделяемого в материале.

Выделение тепловой энергии вследствие диэлектрических потерь приводит к увеличению электрической прочности диэлектрика. На рис. 2.5 приведены зависимости электрической прочности и пробивного напряжения твердого диэлектрика от толщины при электрическом и электротепловом пробоях.

Eпр Uпр

Uпр =f (h)— электрич. пробой

Uпр =f (h)— электротепл. пробой

Рис. 2.5. Зависимости электрической прочности и пробивного напряжения от толщины диэлектрика

Как видно из рис. 2.5, электрическая прочность изоляционного материала при электротепловом пробое меньше, чем при чисто электрическом пробое.

Уменьшение электрической прочности при электротепловом пробое связано, с одной стороны, с разрушением структуры строения изоляционного материала (растрескивание, обугливание и т. д.), когда рабочая температура пре-

21

вышает критическую. С другой стороны, электрическая прочность при электротепловом пробое меньше, чем при электрическом даже в том случае, когда рабочая температура не превышает критическую. Такое явление можно объяснить следующим образом: с ростом температуры изоляционного материала увеличивается кинетическая энергия теплового хаотического движения заряженных частиц и нейтральных молекул твердого диэлектрика. Возрастание энергии теплового хаотического движения молекул приводит к тому, что полю необходимо сообщить меньшую дополнительную энергию движущихся заряженных частиц, чтобы последняя могла ионизировать нейтральную молекулу при столкновении с ней. И, следовательно, выполнение условия развития ударной ионизации наступает при меньшем напряжении, подаваемом на электроды.

2.4. Лабораторная работа № 1. «Определение электрической прочности

твердых и газообразных диэлектриков». 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.

2.4.1Объект исследования

1.Образцы твердых диэлектриков. Материал, размеры образцов и их толщины задаются преподавателем.

2.Воздух. Длины воздушных зазоров задаются преподавателем.

2.4.2Средства измерения

1.Испытательная высоковольтная установка с максимальным напряжением до 10 кВ. Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 2.6.

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.

2.4.3.Рабочее задание

1.Испытать на электрический пробой образцы твердого диэлектрика различной толщины, определяя пробивное напряжение каждого из них. Число образцов и измерений определяет преподаватель.

2.Рассчитать электрическую прочность каждого образца.

22

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.

2.4.4. 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. 2.6.

В состав установки входят:

•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.

23

Рис. 2.6. 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.

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:

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

24

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 высоковольтный трансформатор отключается от выхода автотрансформатора. Если положение рукояти автотрансформатора, регулирующей его выходное напряжение, сохранить таким же, как и в момент пробоя, то после нажатия н а кнопку «пуск» вольтметр покажет то же напряжение, что было установлено при пробое.

Методика экспериментального определения пробивного напряжения и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое

1. Перед началом эксперимента необходимо проверить правильность подключения элементов установки (рис. 2.7), предварительно установив рукоятку автотрансформатора в нулевое положение и открыв дверку камеры высокого напряжения. Лампа «напряжение подано» не должна гореть.

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 2.1.

25

Таблица 2.1

Экспериментальное определение напряжения пробоя и электрической прочности твердых диэлектриков при электрическом пробое

Примечание: высота столбцов таблицы должна быть рассчитана для записи результатов пробоя 7‒8 образцов.

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. 2.1.

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:

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 2.1.

26

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:

«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 (2.10) и (2.11). Данные измерений и расчётов записываются в таблицу 2.2. Пример заполнения таблицы приведен ниже.

Таблица 2.2

Экспериментальное определение напряжения пробоя и электрической прочности твердых диэлектриков при электротепловом пробое

27

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 твердогодиэлектрика 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 двух сочетаний электродов различной формы в соответствии с указаниями преподавателя.

4.Построить зависимости Uпр = f(h) для обоих сочетаний электродов в одних осях координат.

5.Построить зависимости Епр = f(h) для обоих сочетаний электродов в одних осях координат.

2.4.5.Контрольные вопросы

1.С помощью каких показателей характеризуется способность диэлектрика противостоять электрическому пробою?

2.Какая из величин (пробивное напряжение или электрическая прочность) более точно оценивает способность различных диэлектриков противостоять электрическому пробою?

3.Чем объяснить, что электрическая прочность пористых твердых диэлектриков ниже прочности однородных по структуре строения твердых диэлектриков?

4.Какими процессами обуславливается развитие электрического пробоя в газообразных диэлектриках?

5.В чем разница между электротепловым и чисто электрическим пробоем диэлектриков?

6.Какое явление называется пробоем диэлектриков?

7.В каком из электрических полей (однородном или неоднородном) электрическая прочность диэлектриков выше? Чем это можно объяснить?

8.По каким причинам электрическая прочность диэлектриков при тепловом пробое меньше, чем при электрическом?

28

9.Зависит ли электрическая прочность воздуха от полярности электродов при следующих сочетаниях электродов: «игла — плоскость», «игла — полусфера»? Ответ аргументируйте.

10.Чем объяснить, что электрическая прочность воздуха при сочетании электродов «игла — плоскость» или «игла — полусфера» уменьшается в большем диапазоне, чем его прочность при сочетании электродов «плоскость — плоскость», «полусфера — полусфера», с ростом толщины воздушного зазора?

11.Чем объяснить, что электрическая прочность диэлектриков уменьшается с ростом толщины?

12.При каких условиях в твердых диэлектриках может произойти электротепловой пробой?

13.Почему необходимо учитывать процесс старения электрической изоляции при определении рабочего напряжения различных электрических машин?

14.Как изменяется электрическая прочность газообразных диэлектриков

сростом давления и почему?

15.Влияет ли температура на электрическую прочность диэлектриков? Ответ аргументируйте.

29

ЧАСТЬ 3. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1. Основные характеристики магнитных веществ

Магнитное состояние вещества оценивается намагниченностью. Намагниченностью называется сумма элементарных магнитных моментов в единице объема вещества:

где mi — элементарный магнитный момент (спин электрона);V — объем образца. Значение намагниченности зависит от напряженности магнитного поля Н

исвязано с последней в соответствии с уравнением:

М= χ Н ,

где χ — магнитная восприимчивость вещества.

В системе СИ магнитная восприимчивость является безразмерной величиной.

Под воздействием напряженности магнитного поля в веществе создается магнитная индукция, зависимость которой от напряженности поля и намагниченности материала описывается уравнением:

где μа — абсолютная магнитная проницаемость; μr — относительная магнитная проницаемость.

Абсолютная магнитная проницаемость имеет ту же размеренность, что и магнитная постоянная вакуума, а относительная магнитная проницаемость является безразмерной величиной.

Абсолютная и относительная магнитная проницаемости связаны между собой соотношением:

30