Всё для материаловедения / Кульмановский - МУ Элтех материалы

Перенести предельные петли гистерезиса и основную кривую намагничивания на миллиметровку. Разметку осей сделать в единицах В и Н (Т,

А/м).

Задаваясь значениями Н (шесть точек), по основной кривой намагничивания 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 указанных 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 занести в табл. 7.6. и построить зависимость Р=f(f).

Таблица 7.6.

Результаты вычислений

f Гц

S мм2

PВт/кг

7.5.Содержание отчета: - описание цели работы;

- схема включения приборов; - основные расчетные формулы;

- таблицы результатов измерений и вычислений, графики; - выводы по результатам эксперимента.

7.6.Контрольные вопросы

1.Чем объяснить явление ферромагнетизма у магнитных материалов?

2.Какие вещества относятся к парамагнетикам?

21

3.Чем объяснить величину 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 изменении знака Н?

8.От каких факторов зависит площадь петли гистерезиса?

9.Как влияет частота перемагничивания f на величину потерь мощности? 10.Чем отличаются магнитомягкие материалы от магнитотвердых? 11.Какие существуют методы, уменьшающие потери мощности от

вихревых токов?

8. Лабораторная работа «Снятие вольт-амперной характеристики и определение параметров нелинейных сопротивлений

на основе карбида кремния»

8.1.Цель работы: изучение нелинейных свойств одного из видов сопротивления на основе карбида кремниядисков рабочих сопротивлений вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений (ОПН)

8.2.Общие сведения

Вентильный разрядник служит основным аппаратом защиты изоляции электрических станций и подстанций от перенапряжений. В общем случае, он состоит из многократного искрового промежутка и включенного последовательно с ним блока дисков рабочего сопротивления.

К материалу, из которого изготавливаются эти диски, предъявляется следующее основное требованиерезко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание больших токов при высоких напряжениях, и очень малых токовпри пониженных напряжениях, другими словами, он должен обладать нелинейной вольтамперной характеристикой.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольтамперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника.

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

22

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

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, то есть предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора, и если она недостаточна, то разрядник возможно использовать только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. В настоящее время изготавливают нелинейные резисторы, позволяющие возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений.

В качестве главного составляющего, обеспечивающего нелинейность вольтамперной характеристики, при изготовлении требуемого материала 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 запорного слоя составляет 104÷106 Ом·м. В то же время, удельное сопротивление самого зерна карборунда весьма невеликооколо 100 Ом·м. Поэтому практически все приложенное напряжение приходится на запорный слой. Но сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля: при повышении напряженности сопротивление запорного слоя резко падает и величина рабочего сопротивления начинает определяться собственно карборундом. Это приводит к понижению общего сопротивления материала по мере роста приложенного напряжения.

Поскольку сопротивления из несвязанных зерен карбида кремния являются нестабильными (боятся тряски, ударов и легко изменяют свои характеристики), эти зерна скрепляют специальным связывающим веществом. При применении глинистой связки получают материал, называемый «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.

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

где С- постоянная, зависящая от рода материала и геометрических размеров 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;

23

характеристика диска рабочего сопротивления вентильного разрядника

Следует иметь в виду, что величины С и α остаются постоянными только в определенных диапазонах токов. Для диапазонов токов в несколько килоампер: С' и α'; для диапазонов сопровождающих токов, протекающих под воздействием напряжения промышленной частоты (десятки ампер): С'' и α''. Коэффициент нелинейности является важной характеристикой материала, из которого изготовлен диск; от его значения во многом зависят защитные свойства вентильных разрядников. 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 значение коэффициента α'=0,2÷0,28; используемый ранее тирит имел, соответственно, α'=0,14÷0,25 и α''=0,31÷0,42.

В последнее время разработаны резисторы метолло-оксидные диски на

24

Для снятия вольтамперной характеристики нелинейных сопротивлений в лабораторной работе используется схема, показанная на рис. 8.2.

R РA mA

~220 В

V РV

Рис. 8.2. Схема включения приборов для снятия вольтамперной характеристики

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

где rmA- внутреннее сопротивление миллиамперметра на данном пределе измерения, Ом.

Но, поскольку IrmA<<U, с достаточной для практики точностью значение статистического сопротивления, Ом, можно вычислить по приближенной формуле

8.4. Порядок выполнения работы

Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики нелинейных сопротивлений согласно рис. 8.3. Убедиться в том, что положение ползунка регулировочного реостата R соответствует минимуму подаваемого напряжения.

После проверки схемы руководителем снять вольтамперные характеристики заданных образцов нелинейных сопротивлений. Напряжение, подводимое к испытуемому диску, плавно повышается с помощью

25

регулировочного реостата R, включенного по схеме делителя напряжения и контролируется по показаниям вольтметра. Начиная со значения U=30 В, через каждые 10 В производится отсчет соответствующего данному напряжению тока в цепи по миллиамперметру. При необходимости, следует изменить пределы измерения приборов. Результаты измерений заносятся в табл.8.1.

Определить значение статического сопротивления испытуемых образцов для рассмотренных значений напряжения.

Построить зависимость статического сопротивления от величины приложенного напряжения.

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

Произвести аппроксимацию вольтамперной характеристики испытуемых 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 вольтамперной характеристике, взять две точки 1 и 2 (рис. 8.1.) возможно дальше одна от другой (к примеру, точка 1 может быть взята до перегиба, а точка 2 дальше перегиба кривой). Для каждой из этих точек, согласно уравнению (8.1.), можно составить систему уравнений

26

По полученным уравнениям рассчитать и построить вольтамперную характеристику испытанных сопротивлений в одних осях координат с характеристиками, построенными по данным табл. 8.1.

8.5. Содержание отчета:

-описание цели работы;

-принципиальная схема 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 также аппроксимированный график U=f(I);

-выводы по результатам работы.

8.6. Контрольные вопросы

1.Принцип действия и основные характеристики вентильных разрядников.

2.Какими путями достигается уменьшение остающегося напряжения разрядника?

3.Чем объяснить нелинейную зависимость сопротивления материала резистора от приложенного напряжения?

4.Как влияют постоянные α и С на основные характеристики вентильных разрядников?

5.Характеристика пропускной способности нелинейного элемента разрядника.

9. Лабораторная работа «Измерение диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости изоляционных

материалов на высокой частоте»

9.1.Цель работы: экспериментальная проверка величины диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика и характеристика частотной зависимости для исследуемого материала; ознакомление с одним из методов измерения диэлектрических потерь и диэлектрических проницаемости.

9.2.Исследуемый материал

В данной работе исследуется масляно-канифольный компаунд. Компаундами называются смеси различных органических веществ. Масляноканифольный компаунд представляет собой смесь 20% трансформаторного масла с 80% канифоли.

27

Трансформаторное масло – нейтральный диэлектрик, канифоль – диэлектрик с характерными полярными свойствами. В исходном состоянии масляно –канифольный компаунд – твердое вещество, при температуре 170 - 190 C расплавляется и переходит в жидкое состояние. При охлаждении вновь затвердевает. Следовательно, термопластический компаунд горячей заливки. Применяется при монтажных работах для заливки кабельных соединительных, ответвительных и концевых муфт (в кабельной технике известен под названием кабельной массы). Заливка компаундом различных концов кабелей в муфтах служит для того, чтобы влага не проникла в изоляцию. При пропитке пористой бумажной изоляции, компаунды обеспечивают высокую влагостойкую и влагонепроницаемую пропитку, так как при охлаждении они полностью затрердивают и в них не остается пар от испаряющегося растворителя, что может иметь при пропитке лаками. Кроме того, пропитка компаундом 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 электрических аппаратов. В процессе работы из исследуемого материала изготавливается плоский конденсатор. Толщина диэлектрика – 3 мм.

9.3. Общие сведения

Важнейшими электрическими характеристиками диэлектрика являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь tg , Характеризующий диэлектрические потери.

Диэлектрическая проницаемость – характеристика поляризации диэлектрика. Можно также сказать, что по диэлектрической проницаемости мы судим о способности диэлектрика создавать электрическую емкость определѐнной величины.

Диэлектрические потери - это мощность внешнего электрического поля, которая затрачивается на поляризацию диэлектрика и в конечном итоге выделяются в виде тепла.

Принято характеризовать диэлектрические потери тангенсом угла диэлектрических потерь – tg.

Можно любой диэлектрик заменить следующей параллельной схемой замещения:

28

U

Рис. 9.1. Параллельная схема замещения

Рис. 9.2. Векторная диаграмма токов для данной схемы

Угол, дополняющий угол сдвига фаз до 90 называется углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла tg для параллельной схемы замещения равен:

следующий характер:

Рис. 9.3. Зависимость рассеиваемой мощности, tg и от частоты питающего напряжения для масляно-конифольной компаунда.

9.4. Описание испытательной установки

Измерение tg и на высокой частоте с помощью измерителя добротности Е 9 – 4.

Измеритель добротности Е 9 – 4 получил широкое распространение в лабораторной и производственной практике при измерении в области частот от 5 10 …… Гц.

29