Требования безопасности труда

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Относительная диэлектрическая проницаемость, или диэлектрическая проницаемость ε_r, — один из важнейших макроскопических электрических параметров диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектрического материала при данной температуре и частоте электрического напряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость определяет величину электрической емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.). Для плоского конденсатора электрическая емкость С, выражается формулой

С= ε₀ ε_r S/ h (1)

где S — площадь измерительного электрода, м²; h — толщина диэлектрика, м; ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Из формулы (1) видно, что чем больше величина ε используемого диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора при тех.же габаритах.

В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициентом пропорциональности между поверхностным зарядом Q_к, накопленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим напряжением U:

Q_к =С U =U ε₀ ε S/ h (2)

Из формулы (2) следует, что электрический заряд Q_к, накопленный конденсатором, пропорционален величине ε диэлектрика. Зная Q_к и геометрические размеры конденсатора,можно определить ε диэлектрического материала для данного напряжения

Рассмотрим механизм образования заряда Q_к на электродах конденсатора с диэлектриком и из каких составляющих складывается этот заряд. Для этого возьмем два плоских конденсатора одинаковых геометрических размеров: один - с вакуумом, другой -межэлектродным пространством, заполненным диэлектриком, и подадим на них одинаковое электрическое напряжение U (рис. 1).

На электродах первого конденсатора образуется заряд Q₀, на электродах второго- Q_к. В свою очередь, заряд Q_к является суммой зарядов Q_о и Q_:

Q_к = С U = Q_о + Q = ε_r Q_о. (3)

Диэлектрическую проницаемость рассматриваемого диэлектрика можно представить как отношение заряда Q_к конденсатора, заполненного диэлектриком, к заряду Q_о такого конденсатора с вакуумом:

(4)

Таким образом, получаем важнейшую характеристику диэлектрика - относительную диэлектрическую проницаемость ε_r.

Рис.1. Электрические заряды ( □ – свободные, O - связанные) на электродах конденсатора при подаче напряжения

Диэлектрическая проницаемость ε_r - скалярная безмерная величина, характеризующая способность диэлектрика образовывать емкость и равная отношению поверхностной плотности электрического заряда на электродах при наличии между ними данного диэлектрика к плотности зарядов на этих же электродах, помещенных в вакууме.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность вещества накаливать электростатическую энергию, вместе с относительной магнитной проницаемостью ε_r определяет условия распространения электромагнитных волн в различных средах.

Значения и характер зависимости ε_r для жидких диэлектриков сильно зависит от типа молекул /полярные илинеполярные/. Так значения ε_r неполярных жидкостей невелики /не более 2,5/, не зависят от частоты, а зависимость от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема при повышении температуры. Для полярных жидкостей зависимость ε_r более сложная как от температуры, так иот частоты изменения внешнего электрического поля.

На частоте 50 Гц диэлектрическая проницаемость материала (объекта)может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с исследуемым диэлектриком.

Емкость плоского конденсатора рассчитывается по формуле (1).

Произведение (Ф/м) называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Емкость цилиндрического конденсатора рассчитывается по формуле:

(3)

где – толщина диэлектрика; и – диаметры измерительного и токозадающего электродов.

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков зависит от структурных особенностей твердого тела, являясь мерой поляризации диэлектриков. В твердых телах возможны все виды поляризаций.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую в диэлектрике под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то при работе его на высоких напряжениях и высоких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, между электродами которого находится диэлектрик, через него протекает падающий со временем ток, равный

I = I_с +I_абс + I_ск (рис. 2, б).

Ток смещения (емкостный ток) I_с вызван смещением электронных оболочек атомов, ионов, молекул, т. е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение ~ 10^-15 с, поэтому практически не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I_абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывают рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки I_ск вызван перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем и вызывает потери, аналогичные потерям по закону Джоуля — Ленца в проводниках.

Следовательно, на постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т. е. при включении конденсатора.

При переменном напряжении мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием электрического поля, обусловлена токами I_ск и I_абс, наблюдаются в течение всего времени приложения напряжения.

а б

Рис.2. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени на постоянном напряжении (а) и векторная диаграмма токов, протекающих через диэлектрик на переменном напряжении (б)

На рис. 2, б приведена диаграмма токов, протекающих через конденсатор с диэлектриком на переменном напряжении. Емкостный ток I_с опережает напряжение U по фазе на угол 90⁰ и поэтому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбции I_абс определяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивную I_ра и активную I_аа составляющие. Сквозной ток I_ск совпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный ток имеет реактивную I_р = I_ра +I_с и активную I_а = I_аа + I_ск составляющие и опережает напряжение на угол φ< 90⁰. Угол δ, дополняющий до 90⁰ угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, называют углом диэлектрических потерь.

Из векторной диаграммы токов следует, что

, (4)

где tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδ не должно превышать 10^-3 – 10-⁴. Значение tgδ диэлектриков, предназначенных для работы в менее ответственных условиях, допускается много большей.

Если емкость конденсатора С (Ф), то реактивный ток равен

I_р = U ω C,

где U—приложенное напряжение, В; ω =2π f - угловая частота, рад/с; f — частота приложенного напряжения, Гц.

Следовательно, активная составляющая суммарного тока I_а равна

I_а = I_р tgδ = U ω C tgδ.

Тогда мощность Р_а = U I_а (Вт), выделяющихся в конденсаторе диэлектрических потерь равна

Р_а = U² ω C tgδ. (5)

Подставив в (5) значение емкости плоского конденсатора, |^и считываемой по (1), и приняв S = 1 м², h = 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м³):

Р_уд = k Е² ε_r f tgδ, (6)

где Е - напряженность электрического поля, В/м; ε_r tgδ= ε_r׳ -коэффициент диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери газообразных диэлектриках. В слабых электрических полях диэлектрические потери в газах обусловливаются электропроводностью.

Если диэлектрическим материалом в конденсаторе служит диэлектрик с газовыми включениями, то при росте напряжения в них начинается ионизация газа. Энергия, затрачиваемая на ионизацию, называется потерями на ионизацию.

Чтобы изучить диэлектрические потери какого-либо материала, необходимо рассмотреть конденсатор с этим материалом в цепи переменного напряжения. Конденсатор с исследуемым диэлектриком, имеющий емкость, рассеиваемую мощность Р и угол сдвига фаз между током и напряжением φ, заменим эквивалентной схемой, в которой к идеальному конденсатору активное сопротивление подключено либо параллельно — параллельная эквивалентная схема, либо последовательно — последовательная эквивалентная схема. Эти эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть выбраны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности Р, которая рассеивается в конденсаторе с исследуемым диэлектриком, а ток опережал бы напряжение на тот же угол φ. Эквивалентные схемы вводятся условно и не объясняют механизма диэлектрических потерь. Величины емкости идеального конденсатора и активного сопротивления дляпараллельной и последовательной схем замещения обозначим соответственно С_р и R, С_s, и r.

Активная мощность, как известно, равна:

P = U I cosφ (7)

Для последовательной схемы с использованием векторной диаграммы (рис. 3) и учетом того, что

tgδ = ω C_s r_s …… ……(8)

получаем

Аналогично для параллельной схемы

Р_а = U² ω C tgδ.,……………

так как

(9)

Условием эквивалентности обеих схем является равенство активной мощности, из которого можно получить соотношение, выражающее связь между параметрами двух схем

(10)

Согласно (4) диэлектрическую проницаемость изоляционного материала ε_r вычисляют из полученных величин по формуле

(11)

В соответствии с примененной схемой измерения получаемые значения емкости испытываемого материала будут соответствовать последовательной или параллельной схемамзамещения.

Рис.3. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Согласно ГОСТу 6433.4-71 тангенс угла диэлектрических потерь идиэлектрическая проницаемость определяют с помощью установок, позволяющих проводить измерения угла диэлектрических потерь с погрешностью ± 5% + 0,0002 , а емкости ± 1% + 1пФ.

Этим требованиям наиболее отвечают мосты с одновременным уравновешиванием по активной и реактивной составляющим, например, высоковольтный мост типа Р 525.

Лабораторная установка

Принципиальная схема установки приведена на рис. 4.

С помощью регулировочного автотрансформатора можно измерять напряжение, подводимое кповышающему трансформатору. Зажим высокого напряжения трансформатора соединяется с образцовым конденсатором С₀ и испытываемым образцом С_x. В корпусе смонтированы регулируемые плечи моста, а также переключатели, схема защитного напряжения, разрядники и др. Напряжение в диагонали моста усиливается с помощью электронного усилителя и измеряется вибрационным гальванометром, настроенным в резонанс с частотой 50 Гц.

Для питания моста рабочим напряжением 10 кВ предназначается высоковольтный трансформатор НОМ - 10 - 66,. состоящий из магнитопровода и двух обмоток, которые помещаются в бак, заполненный маслом. Магнитопровод трансформатора - однофазный, броневого типа. Обмотка первичного напряжения состоит из двух обмоток, соединенных последовательно, и имеет два электростатических экрана для защиты от перенапряжения. На крышке трансформатора смонтированы вводы первичного и вторичного напряжения.

Образцовый конденсатор С₀, емкость которого равна 100 ± 15 пФ и тангенс угла потерь не превышает 5-10^-5 , представляет собой воздушный конденсатор с металлическими электродами и равномерным зазором. Равномерность электростатического поля создается двумя охранными металлическими кольцами, соединенными с корпусом /экраном/. Питающее напряжение подается к высоковольтному выводу конденсатора. Низковольтный электрод присоединен к соответствующему зажиму,позволяющему присоединять образцовую емкость к плечу R₄ в точке В моста.

Плечо R₃ представляет собой безреактивное сопротивление, состоящее из декад сопротивления 10 /1000+100+10+1,О+0,1/ Ом.

Сопротивление R₄,включенное параллельно емкости С₄ состоит из двух равных безреактивных сопротивлений, соединенных между собой последовательно.

Испытываемый образец /диэлектрик или конденсатор/ соединяется в схеме моста с образцовым конденсатором C₀, магазином сопротивлений и магазином емкостей в точках А, В, С и Д. Питание в точках С в Д подведено от повышающего трансформатора НОМ - 10 - 66.

Для достижения соответствующей точности в мосте предусмотрена защита от токов утечки. Для этого образцовый конденсатор С₀ включается в мост по трехэлектродной схеме (рис.5) и корпус его включается в общую систему экранирования, которая соединена с заземленным полюсом источника питания моста.

Рис. 4. Принципиальная схема четырехплечевого высоковольтного моста для измерения и конденсатора на частоте 50 Гц

Рис.5. Трехэлектродная схема для определения при определении диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика: 1- измерительный электрод; 2 – «кольцевой» охранный электрод, используемый как заземляющий; 3 – электрод: высоковольтный; 4 – образец

Потенциал нулевой диагонали моста приходится к потенциалу экрана включением вспомогательного защитного напряжения, регулируемого по фазе ипо величине, которое создается при помощи дополнительного устройства, схема которого приведена на рис. 4. Это устройство состоит из реохордов r₁ и r₂ сопротивлением 100 Ом и 10 Ом, служащих для изменения величины защитного напряжения, двух сдвоенных реохордов r₃ /по 500 ом/, r₄ /по 10 Ом/ и двух конденсаторов С₁ /по 20 мкФ/, служащих для изменения фазы защитного напряжения. В схему основного моста кто напряжение передается через разделительный трансформатор Тр₂. Питание схемы устройства регулировки защитного напряжения осуществляется через понизительный трансформатор Tp1 напряжением, равным по величине подаваемому на первичную обмотку высоковольтного трансформатора.

В диагональ моста при измерениях А и В включается нулевой индикатор, состоящий из электронного усилителя и вибрационного гальванометра.

Уравновешивание моста при измерениях производится регулировкой величин сопротивления R₃ и емкости C₄.

На передней панели электронного усилителя расположены: рукоятка регулировки степени усиления, ось /под отвертку/ регулировки на минимум собственных шумов, выключатель питания, две пары зажимов, к которым подсоединяется сбифилированный проводник, идущий от зажимов моста "Т" и от гальванометра. Экранные выводы проводников присоединяются к зажимам с обозначением заземления.

На панели вибрационного гальванометра М 501 расположены за жимы включения цепи измерения, переключатель и розетка цепи питания, вставка вибратора, рукоятка регулятора чувствительности гальванометра, рукоятка настройки в резонанс, рукоятка установки изображения на шкале по высоте и по центру /на нуль/, а также переключатель полярности для обнаружения помех в схеме.

Мост с параллельным включением обеспечивает возможность проведения измерений при высоких напряжениях, так как регулируемые элементы R₃ и С₄ отделены от высоковольтного вывода трансформатора конденсаторами С₀ и С_х , два нижних :плеча с заземленной вершиной находятся под низким напряжением и, кроме того, защищены разрядниками на случай пробоя образца во время испытаний.

2.2. Расчетные соотношения для определения tgδ и C_x

При замене испытываемого диэлектрика схемой, состоящей из параллельно включенных емкости С_x и активного сопротивления R_x ,полное сопротивление образца запишется в виде

Используя условие равновесия моста, запишем равенство напряжений на прилегающих к вершине плечах моста

…………(12)

Приравнивая вещественные и мнимые части соотношения, находим после преобразования

Выражение для угла диэлектрических потерь при параллельной схеме замещения согласно (9) в данном случае будет

(13)

для емкости испытываемого образца

(14)

При значениях tgδ_x < 0,03 множителем пренебрегают,так как вносимая погрешность < 0,1% .

В соотношении (14) R₄ - базреактивное сопротивление, равноe 3183 Ом. Диэлектрическую проницаемость вычисляют по формуле

…… (15)

где - емкость плоского конденсатора, если электроды разделяет воздух, где ε₀ = 8,86 пф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость в вакууме; S - площадь измерительного электрода, м²; h - толщина диэлектрика, м.

Требования безопасности труда

Установка должна быть выполнена с учетом требований к установкам высокого напряжения: испытательное поле имеет сеточное ограждение, на двери установлены блок-контакты, имеется световая сигнализация при включении питания схемы.

В мосте предусмотрены неоновые разрядники, в качестве которых применены лампы типа ТН 30 с закороченным встроенным сопротивлением. При срабатывании разрядника схема должна быть немедленно отключена от сети, после чего выясняется и устраняется причина срабатывания.

Соединительные проводники должны быть в исправном состоянии. Особенно необходимо следить за проводниками, служащими для подключения конденсаторов к зажимам С₀ и С_х, сопротивления изоляции которых должно быть не менее 10 МОм.

Особое внимание следует уделить заземлению схемы, так как от способа заземления и его выполнения зависят качество работы всей схемы и ее безопасности в эксплуатации.

Категорическизапрещается: открывать двери во время эксперимента, касаться проводов, даже если они изолированы, помещать посторонние предметы внутри испытательного поля.