Порядок выполнения работы. При подготовке к работе необходимо изучить резонансный метод и порядок выполнения
При подготовке к работе необходимо изучить резонансный метод и порядок выполнения работы. После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы .
Для подготовки прибора к работе необходимо выполнить следующее:
1. Переключатель режима работы поставить в положение “Установка нуля”.
2. Ручку “Уровень” поставить в крайнее левое положение.
3. Включить прибор, дать ему прогреться в течение 15 мин.
4. Переключатель шкалы “Q” поставить в положение “60”.
5. Ручками “Нуль” и ”Нуль уровня” установить нули ламповых вольтметров.
6. Переключатель режима работы перевести в положение “Калибровка”.
7. Ручкой “Уровень” установить стрелку вольтметра “Уровень” против первой риски.
8. Потенциометром “60” (ручка его выведена под шлиц) установить стрелку шкалы Q на конечное деление шкалы “60”.
9. Повторить операции 4¸8 при других положениях переключателя шкалы “Q”.
6. Переключатель режима работы поставить в положение “Измерение”.
А. Определение диэлектрических параметров e', tgdx, e'' твердых электроизоляционных материалов
Определить e', tgdx, e'' твердых диэлектриков на постоянной частоте в следующем порядке:
1. Ручку уровень поставить в крайнее левое положение, переключатель шкалы “Q” в положение “200”.
2. К зажимам L подключить эталонную катушку, соответствующую частоте, указанной преподавателем.
3. Установить заданную преподавателем частоту f на шкале генератора Г измерительного прибора;
4. Ручкой “Уровень” установить стрелку вольтметра “Уровень” против первой риски.
5. Медленно вращая ручку “Емкость” добиться резонанса в контуре по максимальному отклонению стрелки вольтметра V2. Для повышения точности отсчета емкость на основной шкале устанавливается на ближайшее к резонансному целое деление, а более точно резонанс настраивается с помощью дополнительной подстрочной емкости. Показания подстрочной емкости суммируются с основной емкостью (с соответствующим знаком).
6. Записать значение емкости С1 и добротности Q1, измеренные без образца, в табл. 3.
7. К зажимам Сx подключить испытательные электроды. Поставить между электродами один из образцов, выданных преподавателем.
8. Снова установить резонанс. Для восстановления резонанса емкость
переменного конденсатора С0 должна быть уменьшена на величину емкости
исследуемого образца.
9. Записать значения емкости С2 и добротности Q2 в табл. 3.
10. Измерить толщину диэлектрика h и диаметр меньшего электрода D.
11. Результаты измерения D и h записать в табл. 3.
12. Эксперимент повторить с другими образцами.
13. Рассчитать Сx, e', tgdx, e''.
14. Результаты расчета записать в табл. 3.
Т а б л и ц а 3.
| Наименование материала | Q1 | С1, Ф | Q2 | С2, Ф | DQ | Сx, Ф | D, м | h, м | e' | tgdx | e'' |
Б. Определение диэлектрических параметров e', tgdx, e'' жидких диэлектриков
1. Подключить к зажимам Сx воздушный конденсатор.
2. Измерить добротность и емкость конденсатора.
3. Залить исследуемую жидкость в конденсатор.
4. Измерить добротность и емкость конденсатора с жидкостью.
5. Рассчитать Сx, e', tgdx, e'' исследуемой жидкости.
6. Результаты измерений и расчета записать в табл. 4.
Т а б л и ц а 4.
| Наименование образца | Q1 | С1, Ф | Q2 | С2, Ф | DQ | Сx, Ф | e' | tgdx | e'' |
| Воздушный конденсатор Сx | |||||||||
| Конденсатор, заполненный жидкостью Сx |
С. Определение зависимости диэлектрических параметров e', tgdx, e'' твердых диэлектриков от частоты
Для исследования зависимости e', tgdx, e'' диэлектриков от частоты необходимо повторить измерения C и Q твердых диэлектриков при частотах, указанных преподавателем, и результаты измерений и расчетов внести в табл. 5.
Т а б л и ц а 5.
| Наимено-вание материала | f, Гц | Q1 | С1, Ф | Q2 | С2, Ф | DQ | Сx, Ф | D, м | h, м | e' | tgdx | e'' |
Построить графики зависимостей e', tgdx, e'' от частоты для исследованных образцов.
Д. Определение зависимости диэлектрических параметров e', tgdx, e'' твердых диэлектриков от температуры
1. Подготовить прибор к работе согласно указаниям п. А.
2. Измерить толщину диэлектрика h и диаметр внешнего электрода D.
3. Результаты измерения D и h записать в табл. 6.
4. Ручку уровень поставить в крайнее левое положение, переключатель шкалы “Q” в положение “200”.
5. К зажимам L подключить эталонную катушку, соответствующую частоте указанной преподавателем.
6. Установить заданную преподавателем частоту f.
7. Ручкой “Уровень” установить стрелку вольтметра “Уровень” против первой риски.
8. К зажимам Сx подключить измерительную ячейку. Тумблер “Ячейка” установить в положение “0”.
9. Ручкой “Емкость” установить в контуре резонанс по максимальному отклонению стрелки вольтметра V2. Для повышения точности отсчета емкость на основной шкале устанавливается на ближайшее целое деление, а более точно резонанс подгоняется с помощью подстрочной емкости. Показания подстрочной емкости суммируются с основной емкостью (с соответствующим знаком).
10. Записать значение емкости С1 и добротности Q1 в табл. 6.
11. Тумблер “Ячейка” установить в положение “1”.
12. Снова установить резонанс.
13. Записать значения емкости С2 и добротности Q2 в табл. 6.
14. Включить тумблер “Сеть”.
15. Тумблер “T,oC” перевести в положение “100”. Через каждые 10 oC повторять измерения пп. 12¸13. Нагрев производить до температуры, указанной преподавателем.
16. По достижении предельно допустимой температуры тумблер “T,oC” перевести в положение “0”.
17. Повторить измерение температурной зависимости на другой частоте.
18. Рассчитать Сx, e', tgdx, e'.
19. Результаты расчета записать в табл. 6.
Т а б л и ц а 6.
| Наимено-вание материала | T, oC | Q1 | С1, Ф | Q2 | С2, Ф | DQ | Сx, Ф | D, м | h, м | e' | tgdx | e'' |
Построить графики зависимостей e', tgdx, e'' от температуры.
Содержание отчета
Отчет должен включать:
1. Цель работы.
2. Принципиальную схему установки.
3. Расчетные формулы, использованные при вычислении относительной диэлектрической проницаемости e¢, тангенса угла диэлектрических потерь tgd, фактора потерь e¢¢.
4. Примеры численных расчетов.
5. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.
6. Графики зависимостей e¢ =f(f), tgd =f(f),e¢¢=f(f), e¢=f(T), tgd =f(T)и e¢¢=f(T).
7. Выводы по работе, содержащие анализ полученных экспериментальных данных по следующей схеме:
а) сопоставление полученных значений e¢, tgd, e¢¢для исследуемых материалов различной природы с указанием характерных для них видов поляризации;
б) объяснение зависимостей e¢ =f(f), tgd =f(f), e¢¢=f(f);
в) объяснение зависимостей e¢=f(T), tgd =f(T),e¢¢=f(T).
Контрольные вопросы
1. Что такое поляризация диэлектриков?
2. Какие основные виды поляризации диэлектриков имеют место?
3. Как оценивается поляризация?
4. Чему равна напряженность между обкладками плоского конденсатора с диэлектриком?
5. Что такое поляризованность и электрическое смещение?
6. Чем отличаются напряженность деполязирующего и основного поля?
7. Каковы отличительные признаки основных видов поляризации?
8. Что такое e', tgd, e'', как они межу собой связаны?
9. Что такое диэлектрические потери?
10.Каковы причины возникновения диэлектрических потерь?
11. Что такое комплексная диэлектрическая проницаемость?
12. Какие эквивалентные схемы используются для реального диэлектрика с потерями энергии и когда?
13. Что такое время релаксации?
14. Как изменяется со временем поляризованность Р при внезапном включении напряжения?
15. Как будут изменяться e' и e'' в полярном диэлектрике с изменением частоты?
16. Как изменяются e' и e'' с изменением температуры и частоты при всех видах поляризации?
17. Как изменяется tgdв диэлектриках с воздушными включениями при повышении напряжения?
18. В чем сущность резонансного метода?
19. Как измерить емкость и добротность диэлектрика резонансным методом?
20. Как определяется e' твердых и жидких диэлектриков?
Внимание! Не на все вопросы имеются ответы в данном пособии.
Р а б о т а 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Ц е л ь р а б о т ы – закрепить теоретические знания физических основ явления пробоя и ознакомиться с методикой определения кратковременной электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков.
Основные положения
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика, или нарушения его электрической прочности. При пробое наблюдается местное увеличение проводимости (из-за резкого увеличения концентрации свободных носителей) и рост сквозного тока (рис.17), завершающийся образованием проводящего канала пробоя в диэлектрике. Если пробой происходит в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности носителей заряда в таких материалах после снятия напряжения
Рис.17. Зависимость тока через диэлектрик от приложенного напряжения
пробитый участок диэлектрика может восстановить (при ограниченной мощности и длительности работы источника напряжения) свои электроизоляционные свойства. Для твердого диэлектрика такое восстановление отсутствует – след пробоя имеет вид проплавленного, прожженного сквозного канала неправильной формы, образующего практически короткое замыкание между электродами.
Образование в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем, напряжение, вызывающее пробой,- пробивным напряжением (Uпр), а соответствующая напряженность электрического поля – электрической прочностью (Eпр) диэлектрика. В некоторых случаях при напряжении более низком, чем Uпр, развивается поверхностный электрический разряд, не распространяющийся на значительную глубину материала. Действительно, электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков выше, чем жидких, и, тем более, выше, чем газообразных (при нормальном давлении). Поэтому, если расстояние между ближайшими друг к другу точками электродов по поверхности диэлектрика лишь немного превосходит его толщину, то канал пробоя развивается не сквозь изоляцию (рис.18а), а в прилегающем к ней жидком или газообразном слое (рис.18б).
Рис.18.Схема протекания тока при
пробое диэлектрика
а – сквозной пробой;
б – поверхностный пробой
Это явление называется поверхностным пробоем,а напряжение, при котором он происходит, – поверхностным пробивным напряжением. Электрическая прочность является важнейшей характеристикой электроизоляционного материала. В простейшем случае (однородное электрическое поле и однородный диэлектрик): Епр = Uпр / d,(21)
где Uпр– пробивное напряжение; d– толщина диэлектрика.
В системе СИ размерность Епр – [В/м]. Однако на практике Uпр измеряют в [кВ], толщину в [мм]. Тогда электрическую прочность можно представлять в кВ/мм=МВ/м=106 В/м.
Если в процессе эксплуатации напряженность поля превысит Eпрдиэлектрика, то электротехническое устройство, в котором использован данный электроизоляционный материал, выйдет из строя. Поэтому для надежной работы изоляции ее рабочее напряжение (Uраб) должно быть существенно меньше, чем Uпр, а Ераб меньше, чем Епр. Отношение Uпр/Uрабназывают коэффициентом запаса электрической прочности электроизоляционного материала.