ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА № 10
Тема работы: «Определение дугостойкости (искростойкости) диэлектриков»
Цель работы: Проверить несколько диэлектриков на дугостойкость.
Теоретическая часть
Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.
Может возникать между двумя контактами при их размыкании. Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются, и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги - это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги – явления деионизации воздушного промежутка.
В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации – дуга гаснет.
ионизация:
· термоэлектронная эмиссия - электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
· автоэлектронная эмиссия - электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
· ионизация толчком - электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
· термическая ионизация - основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.
деионизация:
· рекомбинация - образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
· диффузия - положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе
Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.
Свойства дуги постоянного тока
Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:
Анодная и катодная области - размер=10-4см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=105-106В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.
Ствол дуги - падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см2, за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.
ВАХ дугового разряда постоянного тока
Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:
· Uз - напряжение зажигания
· Uг - напряжение гашения
Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.
Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.
Сопротивление дуги:
· можно определить из ВАХ дуги
· активное, независимо от рода тока
· переменная величина
· падает с ростом тока
Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.
Свойства дуги переменного тока
Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.
Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.
Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.
Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.
Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.
Под дугостойкостью диэлектриков понимают его способность длительно противостоять электрической дуге, сохраняя в заданных пределах электрические и физикохимические характеристики. Электрическая дуга (температура которой около 3000°С) опасна для токоведущих частей и органических электроизоляционных материалов, кроме тех, которые предназначены для гашения дуги. В результате действия электрической дуги электроизоляционные материалы науглероживаются, растрескиваются и становятся непригодными. В некоторых случаях это может вызвать аварию.
В камерах контакторов, пакетных выключателей и других коммутационных аппаратов может возникнуть электрическая дуга, поэтому материалы, используемые для изготовления, испытывают на дугостойкость. О дугостойкости материалов органического состава, имеющих в своем составе углерод, судят по их способности образовывать поверхностный проводящий слой из науглероженных частиц. По скорости образования этого слоя судят о дугостойкости материала.
Дугогасительная камера – часть электрическогого аппарата, предназначенная способствовать гашению электрической дуги и ограничивать распространение ионизированных газов и пламени. Дугогасительная камера создает условия, способствующие гашению дуги в малом объеме и в наиболее короткое время при малом износе токоведущих частей (контактов и рогов); ограничение звукового и светового эффекта при гашении дуги, направление потока расплавленных и ионизированных газов в определенное место, где они не могут вызвать перебросов в результате резкого снижения диэлектрической прочности воздуха. Дугогасительные камеры бывают глухие и открытые. Глухие представляют собой замкнутый объем, не имеющий связи с внешним пространством (например, у предохранителей)
Дугогасительная камера с магнитным дутьем — дугогасительная камера с дутьем, в которой для перемещения дуги имеется катушка или постоянный магнит, создающие магнитное поле в зоне дуги.
Дугогасительная камера с узкой щелью — дугогасительная камера электрическогого аппарата, у которой существенным фактором при гашении дуги является охлаждение ее стенками камеры
Дугогасительная камера с деионной решеткой — дугогасительная камера электрическогого аппарата, в которой существенным фактором при гашении дуги является разделение ее на ряд последовательно соединенных коротких дуг, горящих между металлическими пластинами, образующими решетку.
Катушка магнитного дутья — катушка контактора, создающая магнитное поле для перемещения дуги в дугогасительной камере.
Приборы и оборудование:
Прибор для определения дугостойкости твердых органических материалов представлен на рис.1 а и схема включения прибора на рис.1 б. Прибор имеет подставку 2, которую можно перемещать вертикально вверх. На подставке устанавливают испытываемый образец 3. В зажимах прибора укрепляют электроды 1 диаметром 6-8 мм с вольфрамовыми наконечниками конусообразной формы (угол при вершине 300).
Прибор 5 включают во вторичную обмотку повышающего трансформатора 7 мощностью 1-2 кВА с напряжением во вторичной обмотке 10 кВ. Последовательно с образцом включают ограничительное сопротивление 4, равное 1 МОм. Автотрансформатор 8 служит для плавного изменения напряжения. Для контроля за током включают миллиамперметр 6 с пределами измерений от 0 до 30 мА. Время горения дуги измеряют при помощи секундомера.
Электроды закрепляют в зажимах под углом 450 к поверхности образца; расстояние между электродами по поверхности образца устанавливают 8 мм. Образцы для испытания могут иметь произвольную форму, поверхность которой позволяет поместить на ней иглообразные электроды на расстоянии 8 мм друг от друга. Толщина образцов должны быть не менее 4 мм.
Для сравнительных испытаний на дугостойкость рекомендуется брать образцы из следующих материалов: гетинакса или текстолита; коллекторного миканита; пластмассы ВЭИ-12, КМК-218, МФК-20.
Порядок проведения работы:
1. Установить электроды на подставке. Развести их на расстояние 8 мм (острия зачистить). Каждый из электродов должен быть расположен под углом 45° к плоскости подставки. Затем подставку отвести вниз от электродов на расстояние 10 – 15 мм.
2. Включить прибор в схему.
3. Включить рубильник и при помощи автотрансформатора поднимать напряжение до разряда в воздухе между электродами. При этом установить такое напряжение, чтобы ток дуги, измеряемый миллиамперметром, был равен 10 мА. Затем рубильник выключить.
4. Испытать образец на дугостойкость:
а) поместить испытываемый образец диэлектрика на подставку;
б) поднять подставку до соприкосновения образца с электродами;
в) включить рубильник. В момент появления дуги пустить секундомер. При переходе дуги из воздуха на поверхность образца остановить секундомер. Испытания повторить 6 раз для каждого образца (в различных его местах). Среднее арифметическое время действия дуги на испытываемую поверхность образца принять за его дугостойкость.
5. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:
| № п/п | Наименование образца | Ток, А | Напряжение на первичной обмотке трансформатора, В | Время горения дуги, с | Дугостойкость образца, с |
Составить отчет:
1. Запишите тему работы.
2. Выполните краткое описание теоретического материала.
3. Зарисуйте установку для работы. Запишите её описание.
4. Опишите порядок выполнения работы (пункты с 1 по 4).
5. Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
1. В каких случаях в электрических цепях возникает электрическая дуга?
2. Что понимают под дугостойкостью электроизоляционного материала?
3. Как в аппаратах и происходит гашение электрической дуги?
4. Почему желательно, чтобы наконечники электродов прибора были из вольфрама?