Лабораторная работа № 3
«Определение электрической прочности твердых диэлектриков »
Цель работы
Ознакомится с определением электрической прочности различных материалов и научить их испытанию этого параметра.
Приборы и оборудование
Электрическую прочность диэлектриков чаще всего определяют на установках переменного тока промышленной частоты.
Рисунок 1 Принципиальная схема установки переменного тока для измерения пробивного напряжения
Электрическую прочность диэлектриков определяют на установке переменного тока промышленной частоты (50 Гц), изображенной на рис. 1. Изменение подводимого напряжения осуществляют регулирующим устройством — лабораторным автотрансформатором Л AT Р.
Испытываемый образец О с двумя электродами включают последовательно с резистором R, который служит для ограничения тока в цепи при пробое образца диэлектрика. Защитное сопротивление выбирают по высшему напряжению UB трансформатора Т: R = 0,2 UB.
Электрическую прочность диэлектриков также определяют и на установке постоянного тока (рис. 2).
О — испытываемый образец. Рш — шаровой разрядник. Т — испытательный трансформатор, В — выпрямитель высокого напряжения, Огр — заземленное ограждение, Кф — конденсатор фильтра, Л—неоновая лампа, Rl, R2, R3 — защитные резисторы
Рисунок 2 Принципиальная схема установки постоянного тока для измерения пробивного напряжения
В качестве источника питания используют выпрямитель, номинальное
напряжение которого должно быть не менее высшего номинального напряжения UB трансформатора, а ток насыщения не менее 100 мА. Резисторы R1 и R2 должны иметь сопротивления: R1= 0,2 Uв; R2 = 0,5 Uв.
Мощность повышающего трансформатора Sт в испытательных установках выбирают в зависимости от наибольшего напряжения установки.
Наибольшие напряжения установки, кВ....................... 1 5 50 80 150
Мощность трансформатора, кВ-А, не менее.... ………...0,5 1 2,5 5 10
В схемах, показанных на рис. 1 и 2, напряжение измеряют электростатическим вольтметром высокого напряжения, присоединенным параллельно испытываемому образцу, или с помощью измерительного трансформатора напряжения.
В учебных лабораториях профессионально-технических учебных заведений испытания твердых диэлектриков на пробой можно проводить с помощью аппарата АМИ-60, обычно применяемого для определения электрической прочности трансформаторного масла (рис. 3 и 4).
Ти — испытательный трансформатор, Сэ — сосуд с электродами, В — высоковольтные выводы для присоединения испытываемых образцов твердых диэлектриков, К — блок-контакты крышки, Тр —регулировочный трансформатор, ПА — автоматический переключатель
Рисунок 3 Принципиальная схема аппарата АМИ-60
Образцы для определения электрической прочности твердого диэлектрика в однородном поле выполняют в виде квадратных или круглых пластин, стороны или диаметры (D) которых могут быть от 25 до 150 мм.
Если толщина образца не позволяет определить электрическую прочность в направлении, перпендикулярном слоям, испытания следует проводить на образцах с цилиндрическим вырезом (рис. 5, а).
Тп — повышающий трансформатор. Тр—регулировочный трансформатор, Гн — гнездо для включения контрольного вольтметра, К — блок-контакты крышки (контакт с механической связью), Сэ — сосуд с электродами, ВА — автоматический выключатель, К — корпус аппарата, Лкр., Лзел — лампы красная и зеленая
Рисунок 4 Принципиально-монтажная схема электрических соединений
аппарата АМИ-60
Электрическую прочность керамических материалов можно определять на плоских образцах, но предпочтительной формой являются плоские пластины со сферической лункой (рис. 5, б). Толщина слоя диэлектрика в месте пробоя должна быть не более 2 м.
а — с цилиндрическим вырезом, б — со сферической лункой
Рисунок 5. Образцы твердых диэлектриков для определения электрической прочности в однородном поле
Электрическую прочность слоистых электроизоляционных материалов (гетинакса, текстолита) вдоль слоев определяют на образцах с отверстиями (рис. 6), в которые плотно вставляют трубчатые электроды ø 5 мм.
| h — толщина образца диэлектрика Рисунок 6 Образец слоистого диэлектрика для определения электрической прочности вдоль слоев | Рисунок 7 Форма и расположение электродов на образце |
Электроды можно изготовить из меди, латуни или нержавеющей стали. Их рабочие поверхности должны быть отшлифованы и плотно прижаты к образцам, чтобы обеспечить хороший контакт. При определении электрической прочности образцов в направлении, перпендикулярном поверхности образца, или у слоистых пластиков, перпендикулярно слоям, применяют два цилиндрических электрода одинакового размера или два цилиндрических электрода разных размеров, причем диаметр нижнего электрода D1 должен превышать диаметр верхнего электрода D не менее чем в 3 раза (рис. 7). Диаметр верхнего электрода 50, 25 и 15 мм. Радиус закругления краев электрода R = 2,5 и 1 (для электрода меньшего
диаметра). Предпочтительными являются электроды следующих размеров: верхний — ø 25 мм и высотой не менее 25 мм, нижний — ø 75 мм и высотой не менее 15 мм; радиус закругления краев электрода 3 мм (рис.7)
Форма и геометрические размеры электродов должны соответствовать сферическим лункам и цилиндрическим вырезам в образцах (рис. 8).
Рисунок 8 Металлический электрод для образца со сферическими выемками
Электроды таких же размеров применяются для определения электрической прочности изоляционных слюдинистых материалов.
Для испытаний изоляции микаленты, которую поставляют в роликах, используют электроды в виде прямоугольных пластин длиной 100 мм, шириной 5 мм и высотой 9,5 мм. Электроды должны быть прижаты к образцу грузом в 2 кг.
Вследствие большой электрической прочности твердых диэлектриков (Епр = 15 ÷ 50МВ/м) возникает вероятность поверхностного пробоя образцов в воздухе (искровой разряд) испытываемого образца. Поэтому иногда приходится производить пробой твердого диэлектрика в среде электроизоляционной жидкости (трансформаторное масло). Для этого образец твердого диэлектрика вместе с закрепленными на нем электродами погружают в сосуд с электроизоляционной жидкостью, в которой испытываемый образец доводят до пробоя.
Общие сведения
При увеличении напряжения в электрической установке может произойти пробой ее изоляции. В результате этого диэлектрик оказывается непригодным для дальнейшего применения. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным, обозначается Uпр и выражается
в киловольтах.
Способность электроизоляционных материалов противостоять пробою называется электрической прочностью. Электрическая прочность Епр, МВ/м, определяется отношением пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя и вычисляется по формуле (однородное поле):
(1)
где h — толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.
Электрическая прочность твердых диэлектриков зависит от их структуры, толщины, окружающей температуры и других факторов. Диэлектрическая прочность диэлектрика может быть повышена пропиткой его маслами, лаками или компаундами.
Для обеспечения надежности работы электрических установок рабочее напряжение Uраб электроизоляционных материалов должно быть значительно ниже пробивного напряжения Unp.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с принципиальной схемой установки (см. рис. 1 или 2) и принципиальной схемой аппарата АМИ-60 (см. рис. 4).
2. Изучить правила техники безопасности при работе на установках высокого напряжения.
3. До включения аппарата в сеть выполнить следующее (см. рис. 4):
а) соединить зажим заземления аппарата, находящийся на его каркасе, с заземляющей шиной лаборатории. Проверить надежность заземляющего провода;
б) снять крышку аппарата, проверить наличие и исправность блок-контактов (контактов с механической связью);
в) установить, открыв крышку аппарата, два высоковольтных ввода высокого напряжения взамен фарфорового сосуда, предназначенного для испытания жидких диэлектриков (вводы прилагаются к аппарату);
г) проверить размеры образцов, подлежащих испытанию, и установить их;
д) поместить перемычки на доске с зажимами в положение, соответствующее напряжению сети (127 или 220 В);
е) перевести двигатель регулировочного автотрансформатора в крайнее левое положение (повышать напряжение следует от нуля).
Только проверив выполнение учащимися всех указанных операций, преподаватель разрешает включить аппарат в сеть. Первое испытание должно проводиться в присутствии преподавателя.
4. Подать напряжение сети Uc на аппарат, включив вилку в штепсельную розетку. При этом должна загореться зеленая лампа, сигнализирующая о наличии напряжения на автотрансформаторе.
5. Включить автоматический выключатель ВА. При этом загорается красная лампа, что указывает на наличие напряжения на первичной обмотке повышающего трансформатора.
6. Пользуясь регулировочным трансформатором Тр, плавно увеличивать напряжение со скоростью 1 кВ/с до наступления пробоя. Время повышения напряжения не менее 10 с. В момент пробоя диэлектрика автоматический выключатель должен срабатывать, разрывая цепь первичной обмотки испытательного трансформатора.
7. Записать показание вольтметра в момент пробоя. Это напряжение является пробивным Uпр. Для каждого образца измерить пробивное напряжение не менее 3 раз и взять среднее его значение.
8. Зная среднее пробивное напряжение Unp и среднюю толщину диэлектрика, вычислить электрическую прочность [МВ/м] по формуле (1)
9. После проведенных испытаний необходимо:
а) переместить ручку регулировочного трансформатора в исходное положение;
б) разомкнуть блок-контакты;
в) извлечь испытываемый образец и обнаружить место пробоя.
10. Результаты измерений и вычислений записать
в табл. 1.
| Номер п/п | Наименование испытуемого материала | Показатели | Расчеты | |
| h | Uпр | Eпр | ||
| … |
Контрольные вопросы
1 Почему у твердых диэлектриков, пропитанных электроизоляционными жидкостями, увеличивается электрическая прочность?
2 В каких единицах измеряют пробивное напряжение и электрическую прочность? Какова связь между этими параметрами?
3 Зависит ли электрическая прочность твердых диэлектриков от
скорости повышения напряжения?