Испытание электроизоляционных материалов

Цель работы:

1. Ознакомиться с основными диэлектри­ческими характеристиками электроизоляционных материалов и мето­дами их измерения.

2. Определить диэлектрические характеристики изо­ляционных материалов [15, 16, 17].

Порядок выполнения работы.

1. Определить электрическую проч­ность различных электроизоляционных материалов и воздуха в одно­родном и неоднородном электрическом поле.

2. Определить удельные объемные и поверхностные сопротивле­ния различных электроизоляционных материалов.

3. Определить тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектри­ческую проницаемость электроизоляционных материалов.

 

Содержание работы и методика ее выполнения.

Электроизоляцион­ные материалы служат для изолирования токоведущих частей в электри­ческих машинах, аппаратах и других электрических установках. Под воздействием электрического поля в диэлектриках протекают физичес­кие явления, которые оценивают диэлектрическими характеристиками.

К основным диэлектрическим характеристикам изоляционных материалов относят электрическую прочность, сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическую проницаемость. Под воздействием определенной величины напряжения диэлектрик теряет свои свойства, происходит его пробой. Значение напряжения, приложенного к электродам в момент пробоя, называют пробивным напряжением U_пр, а соответствующее значение напряженности электри­ческого поля — пробивной напряженностью Е_пр (кВ/мм)

Е_пр = U_пр/h

где h - толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.

 

Для надежной работы диэлектриков их рабочее напряжение должно быть ниже пробивного. Отношение пробивного напряжения к номиналь­ному (рабочему) называют коэффициентом запаса электрической проч­ности. Его устанавливают в зависимости от свойств диэлектрика и ус­ловий его работы.

Электрическую прочность определяют при помощи повышающего трансформатора с устройством для регулировки напряжения в питаю­щей обмотке (рис.1). Такое устройство должно обеспечить возмож­ность регулирования напряжения при синусоидальной форме кривой

 

 

 

Рис. 1. Принципиальная схема пробивного высоковольтного аппарата

 

 

и плавный подъем напряжения с постоянной скоростью 2 кВ/с. Для этого могут быть использованы: реостат, включенный по схеме потенцио­метра; лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации; индукционный регу­лятор.

Для определения электрической прочности используют специаль­ные установки типа АИИ-70, АИМ-70 и др. При определении электри­ческой прочности необходимо соблюдать правила техники безопасности, соответствующие установкам высокого напряжения.

Напряжение от нуля до пробивного нужно повышать плавно со скоростью 1...2 кВ/с. Электроды следует применять плоские из нержа­веющей стали, меди или латуни диаметром 10, 25, 50 мм. Напряжение на стороне питания необходимо измерять вольтметром, градуирован­ным по напряжению обмотки высшего напряжения.

Электрическую прочность электроизоляционных материалов определяют в следующем порядке:

проверяют состояние заземления установки;

готовят образцы электроизоляционных материалов для испыта­ния, площадь образца выбирают в соответствии с габаритными разме­рами электродов так, чтобы избежать перекрытия. Измеряют толщину образцов;

образец устанавливают между электродами и закрывают крышку пробивной установки;

включают автоматы QF1 и QF2;

регулирующим устройством РУ увеличивают напряжение между электродами от нуля до пробоя образца. Момент пробоя фиксируют отключением автомата QF2.

Результаты измерений и вычислений записывают в таблицу 1.

 

Таблица 1

Материал и его марка	Uпр, кВ	h, мм	Епр, (кВ/мм)

 

Значение электрической прочности воздуха зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами определяют на той же высоковольтной установке при электродах плоскость-плоскость (однородное поле). Расстояние между электродами необходимо изменять в пределах от 0,1...0,2 до 1,2...1,5 мм (берут 5...6 точек измерения).

Результаты опытов записывают в таблицу 2

 

Таблица 2

Uпр, кВ	h, мм	Епр, (кВ/мм)	Форма электродов

 

 

Удельные сопротивления изоляции. Электроизоляционные мате­риалы всегда имеют некоторое число свободных зарядов, благодаря чему в диэлектрике под действием электрического поля возникают слабые токи объемной I_V и поверхностной I_S утечки. Значение этих токов зависит от удельного объемного и удельного поверхностного электрических сопротивлений диэлектрика. Эти сопротивления могут быть определены при помощи зеркального гальванометра одним из следующих методов: непосредственного отклонения, заряда конденса­тора — методом сравнения.

Сопротивления электроизоляционных материалов можно измерить и специальными приборами, например, ламповым тераомметром МОМ-4 (Е6-3) и др.

Измерять сопротивление тераомметром нужно в следующей последовательности:

подобрать образцы материалов для измерений;

заземлить корпус прибора;

включить прибор в сеть;

после двадцатиминутного прогрева тераомметра поставить переключатель пределов измерений (рис. 2, а, б, в) в положение КΩ - КАЛ и ручкой "Установка ∞ " установить стрелку прибора на "∞ ". Затем соединить зажимы Л и К накоротко и ручкой "Установка 0,1" устано­вить стрелку прибора на 0,1. Крайнее правое положение ручки переключателей пределов Т Ω — КАЛ служит для установки 0,1 при измерении сопротивлений значением 10¹² и 10¹³ Ом. Крайнее левое положение ручки переключателя пределов М Ω - КАЛ служит для калибровки всех остальных пределов измерения. Убрать перемычку с зажимов Л и К;

соединить электроды с соответствующими зажимами на панели тераомметра;

переключателем пределов измерения добиться положения, чтобы стрелка прибора не выходила за пределы шкалы (за 0,1 и " ∞ ");

измерить значения объемного R_V и поверхностного R_S сопротив­лений через одну минуту после подачи напряжения на образец.

Найти удельное объемное сопротивление (Ом • см)

 

p_V =R_VS₁/h

 

где S1- площадь электрода 1, см2; h- толщина испытуемого образца, см.

Удельное поверхностное сопротивление (Ом)

 

p_S=R_S2π/ln = R_S2,74/lg

 

где d1 - диаметр электрода 1; d2 - внутренний диаметр охранного кольца 3. Результаты опытов и расчетов записать в таблицу 3.

Таблица 3

Материал	d1=…, см^2; d2=…, см^2; S=…, см^2
h,см	RV, Ом	RS, Ом	pV,(Ом*см)	pS, Ом

 

Рис.2. Измерение сопротивлений тераомметром:

а- панель прибора; б- объёмное сопротивление; в- поверхностное сопротивление: 1, 4 – электроды; 2- изоляционный материал; 3- охранное кольцо.

Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость. В нас­тоящее время измерение диэлектрических потерь наряду с другими видами испытаний проводится при профилактических испытаниях изоляции оборудования высокого напряжения.

Для измерения диэлектрических потерь применяют различные мостовые схемы. Наиболее широкое распространение получили мосты переменного тока типа МДП, Р-525 и Р-595, при помощи которых изме­ряют 5 и емкость объекта. Принципиальная и монтажная схемы (рис. 53) мостов, а также их технические характеристики и порядок работы почти одинаковы. Основные технические данные мостов приво­дят в паспортах. Например, мост Р-595 имеет следующие данные: рабо­чее напряжение 3...10 кВ; рабочую частоту 50 Гц; пределы измерения tg δ = 0,5...100 %; пределы измерения емкости 3 • 10^-5 — 1,0 мкФ при измерении на высоком напряжении и 3 • 10^-4 - 10² мкФ при измерении на низком напряжении.

Первым плечом моста служит испытуемый объект С_х, вторым — образцовый конденсатор С₀ (внешний при высоковольтных измерениях и встроенный в мост при низковольтных измерениях), третьим — ма­газин сопротивления R₃, четвертым — постоянное сопротивление R₄, параллельно которому включен магазин емкости С₄.

При равновесии моста имеют место следующие соотношения:

 

С_х= С₀R₄/R₃,где R₄ =10000/π = 3183 Ом,

tg δ = w R₄ С₄10^-6 = С₄ .

Схема включения приборов моста приведена на рисунке 54. Зна­чение tg δ нужно измерять в следующем порядке.

1.Ознакомиться с техническим описанием и инструкцией по экс­плуатации моста.

2.Подготовить схему в соответствии с выбранным режимом изме­рений.

3.Проверить надежность заземления моста.

4.Установить ручки в положения " Чувствительность " — " Выкл ":

R₃ – «50»; tg δ – «5,0»; «А» - «tg δ»; «В» - «10 кВ» или «50 В» (в зависимости от рабочего напряжения и требуемого предела измере­ний); тумблер " Сеть "- выключено.

5.Плавно установить требуемое рабочее напряжение.

6.Включить тумблер " Сеть "- выключено.

7.Установить минимальную чувствительность моста.

8.Провести уравновешивания моста, регулируя сопротивление ряда R₃ и tg δ, добиться положения, при котором стрелка микроампер­метра наиболее близко подойдет к нулевой отметке шкалы. При этом, по мере необходимости, регулировать чувствительность указателя

Рис. 3. Принципиальная схема моста.

 

 

Рис.4. Схема включения приборов моста.

 

равновесия ручкой " Чувствительность ". При R₃ менее 15 Ом перейти на другой предел и вновь уравновесить мост.

9.Уменьшить до нуля рабочее напряжение схемы, отключить регу­лировочное устройство и мост от сети; ручку " Чувствительность " уста­новить в положение " Выкл ".

10.Отчет измеренного " tg δ " - прямой, а " -tg δ " (%) считается:

- tg δ = w R₃ tg δ _x 10^-6 .

11.Значение измеренной емкости определяют по формулам у пере­ключателя "В".

При работе на установках высокого напряжения соблюдать правила техники безопасности.

Результаты измерений и расчётов записать в таблицу 4.

 

Таблица 4

Материал	U, B	tg δ, %	R3, Ом	Сх,мФ	е

Относительную диэлектрическую проницаемость для плоского образца находят по формуле

е=3,6πh С_х/S,

где h - площадь образца, см; S - площадь электродов, см².

Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду Q ₀, который можно было бы получить в кон­денсаторе тех же габаритных размеров и при том же напряжении, если бы между электродами был создан вакуум.

 

Содержание отчета:

1. Рассчитать и построить зависимость Е = f/(h) для воздуха в однородном и неоднородном полях, построить эти зави­симости на одном графике.

2.Привести схемы испытаний и данные опытов и расчетов, получен­ных при определении значений электрической прочности, удельных объемного и поверхностного сопротивлений, тангенса угла диэлектри­ческих потерь и диэлектрической проницаемости различных электро­изоляционных материалов и конструкций, и сравнить полученные ре­зультаты с данными, приведенными в литературе.

3.Обосновать результаты, полученные в работе.

 

Контрольные вопросы и задания.

 

1. Как зависит прочность газа от расстояния между электродами, их формы, давления газа и его темпе­ратуры?

2. Расскажите, какова роль экранирующих электродов при измерении удельных объемного и поверхностного сопротивлений электроизоляционных материалов.

3. Какое влияние оказывает температура и влажность на угол диэлек­трических потерь и диэлектрическую проницаемость электроизоляционных ма­териалов и конструкций?

4. Почему у твердых диэлектриков различают объем­ное и поверхностное электрические сопротивления?

5. Расскажите, от чего зависят потери энергии в изоляции и какое состояние изоляции увеличивает их?

Задание № 7