Изучение удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ И КОНСТРУКЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

для студентов всех форм обучения

направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям)

профиля подготовки «Энергетика»

профилизаций «Энергохозяйство предприятий, организаций, учреждений и энергосберегающие технологии», «Электропривод и автоматика»

 

Екатеринбург 2012

Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электротехническое и конструкционное материаловедение ». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2012. 39 с.

 

 

Составитель ст. преподаватель

кафедры автоматизированных

систем электроснабжения И.М. Морозова

 

 

Одобрены на заседании кафедры автоматизированных систем электроснабжения РГППУ. Протокол от 30.08.2012, № 1.

 

Зав. кафедрой

автоматизированных

систем электроснабжения С.В. Федорова

 

 

Рекомендованы к печати методической комиссией Института электроэнергетики и информатики РГППУ. Протокол от 10.09.2012, № 1.

 

Зам. председателя методической

комиссии ЭлИн РГППУ А.А. Карпов

 

 

© ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2012

© И.М. Морозова

 

Введение

В курсе «Электротехнические материалы» рассматриваются электрические, физико-механические характеристики диэлектриков, магнитных материалов, полупроводниковых и проводниковых материалов, а также влияние внешних факторов на эти характеристики. Электротехнические материалы широко применяются при изготовлении электрических аппаратов, электрических машин и других электротехнических установок. При этом каждая конструкция должна отвечать требованиям эксплуатации: высокой стабильности от времени эксплуатации, безотказности и долговечности.

В связи с этим курс «Электротехнические материалы» является одним из важнейших для студентов электроэнергетических специальностей. Изучение курса неукоснительно связано с показанием основных характеристик диэлектриков, магнитных и проводниковых материалов, физических процессов, происходящих в материалах при внесении их в электрическое поле, что позволяет создать определенный базис для изучения методов испытаний различных конструкций ЭТУ, влияния переходных процессов на изоляцию ЭТУ и характеристик магнитных материалов.

Выполнение лабораторных работ позволит студентам закрепить изучение лекционного материала, на практике понять сущность методов испытания основных характеристик различных конструкций и физических процессов, происходящих в них. Поэтому при написании методических указаний по лабораторным работам внимание было уделено и теоретической части, в которой описаны основные процессы, протекающие в материалах, применяемых для изготовления электротехнических установок.

Студенты обязаны неукоснительно соблюдать правила технической безопасности, которые вывешены в лаборатории на отдельном плакате. Прочитав их, и получив инструктаж непосредственно на рабочем месте, студент расписывается в журнале по ТБ. Успешное проведение лабораторной работы зависит от самостоятельной подготовки студентов, поскольку перед занятиями в лаборатории студенты должны изучить методику испытаний, теоретическую часть лабораторной работы, подготовить протокол испытаний.

Отчет по работе

 

Выполняется на листах формата А-4, один на подгруппу, которая состоит из 3 – 4 человек. В нем указывается:

· Фамилия, инициалы студентов, участвующих в проведении лабораторной работы;

· Цель лабораторной работы;

· назначение приборов лабораторной установки, расчетные формулы, таблицы измерений;

· Графики по результатам измерений и выводы.

Лабораторная работа №1

Лабораторная установка

 

Лабораторный стенд предназначен для освоения методики определения удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков.

Стенд состоит из термостата, осуществляющего установку, измерение,
автоматическую поддержку температуры образца диэлектрика и прибора
(тераомметра), измеряющего поверхностное R_s и объемное R_v сопротивление образца. По результатам измерения R_s и R_v с учетом геометрических размеров электродов вычисляется удельное поверхностное Р_s и объемное Р_v сопротивления диэлектрика.

Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается приемная кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термостата обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между температурой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного
температурного режима осуществляется по показанию чувствительного термодатчика, установленного стационарно внутри рабочей камеры термостата.

Предварительная установка значения требуемой температуры производится кнопками с индикацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее поддержка осуществляется автоматически.

Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: "Б"- больше; "Н"- норма; "М"- меньше. Предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве текущей температуры заданной. Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разрядный индикатор нажатием кнопки ИЗМЕР.t.

Объектами исследования могут быть плоские образцы различных твердых диэлектриков с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные (резиноподобные) диэлектрики с нажимными сменными электродами (рис. 1).

 

 

Диаметр электрода С, мм.
Внутренний диаметр электрода К, мм.
Наружный диаметр электрода К, мм.
Диаметр или сторона электрода Н, мм. Не менее
Величина зазора между электродами С и К, мм	2+-0,2

 

Рис. 1. Расположение электродов и их рекомендуемые размеры

В процессе измерения R_v электрод "С" является измерительным, электрод "Н"- электродом напряжения, электрод "К"- охранным.

В процессе измерения R_s электрод "С" является измерительным, электрод "К"-электродом напряжения, электрод "Н"-охранным.

Конструктивно термостат и тераомметр выполнены в виде настольных блоков, соединенных шнуром соединительным. Назначение органов управления и присоединительных разъемов приведено ниже:

Термостат (рис.2):

1 - "ИЗМЕР.t"- кнопка вывода на цифровой индикатор значения текущей
температуры и включения режима регулирования после включения питания.

2 - "СЕТЬ"- выключатель питания.

3 - Светодиод "Б" - индикация превышения температуры в рабочей камере
термостата относительно заданной.

4 - Светодиод "Н" - индикация равенства температуры в рабочей камере термостата и заданной.

5 - Светодиод "М" - индикация пониженной температуры в рабочей камере
термостата относительно заданной.

6 - Цифровой 3х-разрядный индикатор температуры.

7 - "УСТАНОВКА t - и +" - кнопки установки задаваемой температуры нагрева.

8 - Приемная кассета для установки образца в рабочей камере.

9 - " R_v/ R_s" - тумблер переключения режимов измерения объемного или поверхностного сопротивления.

10 - Выход к тераомметру.

11 - Зажимы для закрепления приемной кассеты в рабочей камере термостата.

12 - Вилка для подключения сетевого шнура питания.

13 - Сетевые предохранители.

14 - Клемма защитного заземления.

15 - Жалюзи приточной вентиляции.

 

 

Рис. 2. Внешний вид передней (А) и задней (Б) панелей термостата

 

 

Тераомметр Е6-13А (рис.3):

1 - Ручка установки нуля точно.

2 - Кнопка замыкателя входа.

3 - Высокоомное входное гнездо "г_х".

4 - Входное гнездо "+" источника измерительного напряжения.

5 - Гнездо для подключения экрана.

6 - Выключатель питания.

7 - Индикатор включения прибора.

8 - Переключатель поддиапазонов измерения.

9 - Корректор механического нуля.

10 - Индикатор включения измерительного напряжения 10 В

11 - Гнезда выхода на самописец.

12 - Сетевые предохранители.

13 - Клемма защитного заземления корпуса.

14 - Переключатель измерительного напряжения 100В/10В.

15- Ручка установки нуля грубо.

Рис. 3. Внешний вид передней (А) и задней (Б) панелей тераомметра Е16-13А

 

Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи тераомметра и установки в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов. Электрическая схема кассеты приведена на рис.5, вид кассеты приведен на рис.4.

 

 

 

1- Основание (электрод Н) 2,3- Прижимные винты 4- Крепежный винт 5,6- Планки 7- Контакт XT 3 (рис.2) 8- Контакт XT 4 (рис.2)

9- Контакт XT 1 (рис.2) 10- Контакт XT 2 (рис.2) 11- Электрод «С» 12- Электрод «К» 13- Образец диэлектрика 14- Контакт XT 5 (рис. 2)

 

 

Рис. 4. Кассета с образцом диэлектрика

 

 

 

1. основание (поз. 1 рис. 4).

2. прижимные винты (поз. 2 рис. 4)

3. прижимные винты (поз. 3 рис. 4)

Рис. 5. Схема подключения электродов диэлектрика

 

Подготовка стенда к работе

1. Заземлите термостат и тераомметр, а также соедините их клеммы заземления между собой (с целью уменьшения помех).

2. Установите диэлектрический образец, для чего:

2.1. Оцените состояние поверхности образца на наличие влаги, загрязнения, окисления электродов и при необходимости очистите их.

2.2. Извлеките приемную кассету из рабочей камеры термостата, предварительно освободив зажимы 11 рис.2.

2.3. Расположите образец диэлектрика на основании 1 рис.4 кассеты для чего предварительно выкрутите прижимные винты 2,3 рис.4 и, если диаметр устанавливаемого образца более 50 мм, выкрутите крепежный винт 4 рис.4 и поверните планку 5 рис.4 против часовой стрелки. Если испытуемый образец с заранее нанесенными "С", "К" и "Н" электродами (рис.1), то он ложится на основание электродом "Н".

2.4. При использовании нажимных сменных электродов "С" и "К" из комплекта поставки, установите их на образец полированной поверхностью. Роль электрода "Н" в этом случае играет само основание кассеты.

2.5. Установите планку 5 рис.4 на место (при необходимости).

2.6. Вкрутите прижимные винты 2,3 в соответствующие планки 5,6 рис.4 выбрав необходимое отверстие в планках таким образом, чтобы винты 2 обеспечивали прижим и электрический контакт с электродом "С", а винты 3 с электродом "К".

3. Вставьте приемную кассету в рабочую камеру термостата и закрепите ее зажимами 11 рис. 2.

4. Соедините шнур кассеты термостата 10 рис. 2 с тераомметром.

5. Включите шнур сетевой термостата в сеть 220 В, 50 Гц, включите выключатель
питания "СЕТЬ". При этом цифровой индикатор должен показывать 15° С и светиться индикатор "Б".

6. Выдержите термостат во включенном состоянии в течение 10 мин.

7. Тераомметр Е6-13А.

7.1. Проверьте положение кнопки замыкателя входа поз. 2 рис.3, имеющей два положения: нажатое - режим установки нуля; отжатое - режим измерения. Установите кнопку в нажатое состояние.

7.2. Установите с помощью механического корректора 9 рис. 3 стрелку прибора на нулевую отметку шкалы.

7.3. Включите шнур питания в сеть 220 В, 50 Гц, переведите выключатель питания в положение "СЕТЬ ВКЛ". При этом должна светиться индикаторная лампочка. Стрелка прибора должна установиться на нулевую отметку шкалы в течение 1 мин.

7.4. Выдержите тераомметр включенным в течение 30 мин.

7.5. Выберите и включите требуемое измерительное напряжение. Измерительное напряжение на входных гнездах тераомметра может быть выбрано равным 100 или 10 В с помощью переключателя, расположенного на задней панели. При включении измерительного напряжения 10 В на передней панели тераомметра светится индикаторная лампочках 0,1 [10_v]. Это означает, что полученный по прибору результат измерения следует умножить на 0,1.

7.6. Измерения проводятся на поддиапазонах от 10⁶ до 10¹³ Ом - по обратно пропорциональным шкалам (расположены сверху). Установите ручками "УСТ.0 ГРУБО" и "УСТ.0 ТОЧНО" поз. 1,15 рис. 3 стрелку прибора на отметку "∞" обратно пропорциональных шкал.

7.7. Установите переключатель поддиапазонов в положение 10⁷ Ом.

 

Порядок выполнения работы

1.Произведите измерения объемного R_v, а затем поверхностного R_s сопротивлений образца при комнатной температуре для этого:

1.1.Нажмите кнопку "ИЗМЕР.t" термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору.

1.2. Переведите тумблер "R_v/R_s" приемной кассеты в положение "R_v".

1.3. Переведите кнопку замыкателя входа тераомметра "УСТ.0" в отжатое положение.

1.4. Изменяя при необходимости поддиапазон измерения переключателем поз.8 рис.3, произведите отсчет R_v по шкале, соответствующей установленному поддиапазону.

1.5. Переведите тумблер "R_v/R_s" в положение R_s и, изменяя при необходимости поддиапазон измерения, произведите отсчет R_s по шкале, соответствующей установленному поддиапазону.

ВНИМАНИЕ! При переключениях на поддиапазонах измерения 10¹¹...10¹³ Ом возможно зашкаливание стрелки тераомметра. Время восстановления показания не более 30с.

2. С помощью кнопок "УСТАНОВКА t - или +" задайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе (рекомендуется повышать температуру ступенями на 5...20 °С)

3. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов: "М"- меньше; "Н"-норма; "Б"-больше. При зажигании светодиода "Н" (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 3...5 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. После наступления установившегося температурного режима (стрелка тераомметра перестает дрейфовать) проведите измерения по пп. 1.1- 1.5.

4. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения нагрева от установленной максимальной температуры.

5. По измеренным значениям R_v и R_s, с учетом геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения объемного Р_v и поверхностного P_sудельных сопротивлений диэлектрика и составляется отчет.

ВНИМАНИЕ! После окончания измерений кнопкой "УСТАНОВКА t - " установите минимальную температуру, не допускайте длительной работы термостата при температурах свыше 100 °С, после 2-х часов непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин.

Лабораторная работа №2

 

Лабораторная установка

 

Стенд предназначен для освоения методики определения емкости, диэлектриче­ской проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, коэффициента диэлектрических потерь твердыхдиэлектриков; изучения этих характеристик диэлектриков взависимости от температуры и частоты.

Стенд состоит из термостата осуществляющего установку, измерение, автоматическую поддержку температуры образца диэлектрика и измерителя емкости тангенса угла диэлек­трических потерь образца диэлектрика.

По результатам измерения и с учетом размеров образца вычисляется его диэлектрическая проницаемость, и коэффициент диэлектрических потерь.

Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается прием­ная кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термоста­та обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между темпера­турой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного температурного ре­жима осуществляется по показанию чувствительного платинового термодатчика установленного стационарно внутри рабочей камеры термостата. Предварительная установка значения требуе­мой температуры производится ручным регулятором с индикацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее под­держка осуществляется автоматически.

Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: "Б"- больше; "Н"- норма: "М"- меньше. Предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве значений текущей температуры заданной.

Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разрядный индикатор нажатием кнопки "ИЗМЕР.t".

Объектами исследования могут быть плоские круглые образцы твердых диэлектри­ков с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные (резиноподобные) ди­электрики с нажимными сменными электродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис.1.

 

 

 

Диаметр электродов, мм: 25; 50; 75; 99.

Примечание: при использовании нажимных сменных электродов роль электрода «Н» выполняет основание приемной кассеты термостата.

 

Рис. 1. Расположение электродов и их рекомендуемые размеры

 

 

Измеритель емкости и тангенса угла диэлектрических потерь (в дальнейшем по тек­сту - измеритель) выполнен на основе мостовой схемы с автоматическим уравновешиванием. Все функции управления измерительным процессом осуществляет встроенная микроЭВМ.

Измерение производится после нажатия соответствующей кнопки. Результат измерения считывается с 3-х разрядных цифровых индикаторов после потухания светового индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ". Сбой в работе или выход за диапазон измерения сигнализируется световым индикатором "НЕБАЛАНС". Выбор частоты измерительного напряжения производится нажати­ем соответствующей кнопки и индицируется световыми индикаторами "5 кГц", "20 кГц".

Схема подключения электродов приведена на рис.2

 

 

Рис. 2. Схема подключения электродов диэлектрика

Конструктивно термостат и измеритель выполнены в виде настольных блоков. Назначе­ние органов управления и присоединительных разъемов приведено ниже:

Термостат (порядковые номера соответствуют рис.3):

1- "ИЗМЕР.t"- кнопка вывода на цифровой индикатор значения текущей температуры в рабочей камере термостата и включения режима регулирования температуры.

2- "СЕТЬ"- выключатель питания.

3- Светодиод "Б" - индикация превышения температуры в рабочей камере термостата относительно заданной.

4- Светодиод "Н" - индикация равенства температуры в рабочей камере термостата и за­данной

5- Светодиод "М" - индикация пониженной температуры в рабочей камере термостата относительно заданной.

6- Цифровой Зх - разрядный индикатор температуры.

7- "УСТАНОВКА t - и +" - кнопки установки задаваемой температуры нагрева.

8- Приемная кассета для установки образца в рабочей камере.

9- Выход к измерителю.

10- Зажимы для закрепления приемной кассеты в рабочей камере термостата.

11- Вилка для подключения сетевого шнура питания.

12- Сетевые предохранители.

13- Клемма защитного заземления.

14- Жалюзи приточной вентиляции.

Измеритель емкости и tgδ. (порядковые номе­ра соответствуют рис.4):

1- "СЕТЬ"- выключатель питания.

2- Цифровой Зх- разрядный индикатор емкости.

3- Световые индикаторы "5кГц", "20кГц" - индикация частоты измерительного напряжения.

4- Кнопка выбора частоты измерительного напряжения.

5- Световой индикатор "НЕБАЛАНС".

6- Цифровой 3х-разрядный индикатор тангенса угла tgδ.

7- Световой индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ".

8- Кнопка включения измерения.

9- Гнездо "ВХОД".

10- Вилка для подключения сетевого шнура питания.

11- Сетевые предохранители.

12- Клемма защитного заземления.

Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначе­на для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цени и уста­новки его в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов. Электрическая схема кассеты приведена на рис.2, вид кассеты приведен на рис.5.

 

Рис. 3. Внешний вид передней (А) и задней (Б) панелей термостата

Рис. 4. Внешний вид передней (А) и задней (Б)

панелей измерителя емкости и tgδ

 

 

 

1 – Основание (электрод Н)

2 – Прижимные винты

3 – Планка

4 – Диэлектрик с верхним электродом В

5 – Контакт XT1 (рис 2)

6 – Контакт XT2 (рис 2)

 

Рис. 5. Кассета с образцом диэлектрика

 

Подготовка стенда к работе

1. Установите измеритель справа от термостата на расстоянии не менее 100 мм от его боковых жалюзей вентиляции.

2. Заземлите термостат и измеритель, а также соедините проводником их клеммы за­щитного заземления между собой с целью уменьшения помех.

3. Установите диэлектрический образец, для чего:

3.1. Оцените состояние поверхности образца на наличие влаги, загрязнения, окисления электродов и при необходимости очистите их;

3.2. Извлеките приемную кассету из рабочей камеры термостата, предварительно осво­бодив зажимы 10 рис.3;

3.3. Расположите образец диэлектрика на основании 1 рис.5 кассеты для чего предвари­тельно выкрутите прижимные винты 2 рис.5.

Если испытывается образец с заранее нанесенными "В" и "Н" электродами (рис.1),то он ложится на основание электродом "Н";

3.4. При использовании нажимного сменного электрода "В", установите его на образец полированной поверхностью. Роль электрода "Н" в этом случае играет само осно­вание кассеты;

Вкрутите прижимные винты 2 в планку 3 рис.5, выбрав необходимое отверстие в планке таким образом, чтобы винты 2 обеспечивали прижим и электрический контакт с элек­тродом "В";

3.5. Вставьте приемную кассету в рабочую камеру термостата и закрепите ее зажимами 10 рис.3.

4. Соедините выходной шнур кассеты термостата с гнездом "ВХОД" измерителя.

5. Включите термостат и измеритель в сеть 220 В, 50 Гц, включите выключатели питания "СЕТЬ".

6. Выдержите термостат и измеритель включенными в течение 10 мин.

 

 

Порядок выполнения работы

1. Произведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектри­ка прикомнатной температуре (начальное значение температуры внутри рабочей камеры термо­стата) для этого:

1.1. Для включения режима регулирования нажмите кнопку "ИЗМЕР.t" термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору;

1.2. Установите необходимую частоту измерительного напряжения кнопкой поз. 4 рис. 4 измерителя 4;

1.3. Включите измерение кнопкой поз.8 рис.4 при этом должен засветиться индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ";

1.4. После потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" произведите отсчет значений емкости и тангенса угла диэлектрических потерь по соответствующим цифровым индикаторам.

ВНИМАНИЕ! Если после потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" засветится индикатор "НЕБАЛАНС", измерение необходимо повторить.

2. С помощью кнопок "УСТАНОВКА t - или +" задайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе (рекомендуется повышать температуру ступенями на5...20 °С).

3. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светоди­одных индикаторов: "М" - меньше; "Н" - норма; "Б" - больше. При зажигании светодиода "Н" (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 2...3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. После наступле­ния установившегося температурного режима проведите измерения по пп. 1.1-1.4.

4. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения нагрева от установленной максимальной температуры.

5. По измеренным значениям емкости и тангенса угла диэлектрических потерь и с уче­том геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь. Диэлектрическая проницаемость ε, коэффициент потерь К_п диэлектрика с круглыми электродами (рис.1) вычисляется по формулам:

ε = Сh /(ε ₀S);

К_п = ε tgδ,

где: С - емкость образца в Ф;

h - толщина образца в м;

S - площадь круглого электрода образца в м²;

ε ₀ - диэлектрическая постоянная = 8.85· 10^-12 Ф/м;

tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика.

6. ВНИМАНИЕ! После окончания измерений установите минимальную температуру кнопкой "УСТАНОВКА t -" термостата, не допускайте длительной работы термостата при тем­пературах свыше 100 °С.

7. После 2-х часов непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин.

 

 

Лабораторная работа № 3

Пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10^-5 - 10^-8 с. Е_пр при электрическом пробое зависит главным образом:

• от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

• от температуры;
• частоты приложенного напряжения;
• геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10^-4 - 10^-5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Е_пр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10² - 10³ МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 10² МВ/м.

Электрический пробой зависит от однородности электрического поля. Определить степень неоднородности можно по конфигурации электродов. Электрический пробой происходит мгновенно, при этом в наиболее ослабленных листах неоднородной структуры диэлектрика образуется канал высокой проводимости. В проводимости участвуют как примесные (свободные) носители зарядов, так и носители зарядов самого диэлектрика, которые образуются за счет разрыва структурных связей.

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q₁ становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости. При этом сопротивление нагретого участка (канала) непрерывно уменьшается. В этом случае рассматривается тепловой баланс энергий нагретого участка, поскольку в нем выделяется тепловая энергия по закону:

Q₁ = 0,24 U² S/a γ₀ e^α(t-t0),

но отдается часть энергии в окружающую среду (уравнение теплоотдачи)

Q₂ = k (t-t₀)·α,

где S – площадь электродов, м;

α – толщина диэлектрика, м;

γ₀ e^α(t-t0) – активная проводимость диэлектрика,

k – коэффициент теплоотдачи.

Вполне очевидно, что если Q1 > Q2, то произойдет электротепловой пробой.

Поэтому в условиях эксплуатации электроустановок рабочее напряжение изоляционных конструкций выбирается значительно ниже напряжения пробоя. Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2-10^-3 с при Е_пр около 10 МВ/м. Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача. Е_пр при тепловом пробое уменьшается:

• при увеличении температуры;
• при увеличении времени выдержки образца под напряжением;
• при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (U_пр с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10³-10⁸ с.

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя. Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации, так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается. Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика. Электротермический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

 

 

Лабораторная установка

Стенд состоит из двух блоков, измерительного и высоковольтного, соединенных между собой высоковольтным и блокировочным кабелями. Измерительный блок устанавливается на стойку и штатив. Внешний вид блоков приведен на рис. 1,2,3,4.

 

Рис. 1. Передняя панель высоковольтного блока

 

1. Цифровой индикатор выходного напряжения.

2. Выключатель сетевого питания. «СЕТЬ»

3. Сетевой индикатор «ПРОБОЙ».

4. Кнопка «ЗАПУСК».

5. Кнопка «СБРОС».

 

 

 

Рис.2. Задняя панель высоковольтного блока

 

 

1. Высоковольтное гнездо «ВЫХОД 0…25 кВ».

2. Кнопка блокировки сети.

3. Гнездо блокировки сети.

4. Клемма защитного заземления.

5. Гнездо подключения сетевого шнура.

6. Держатели предохранителей.

 

Рис. 3. Передняя панель измерительного блока

 

1. Измерительная головка. 2. Рычаг перемещения подвижного стержня.

3. Подвижный стержень. 4., 5. Электроды подвижного стержня.

6. Положительный электрод. 7. Ручка коррекции установки «0».

8. Винты грубой установки «0». 9. Винты прижимной планки.

10. Прижимная планка.

 

Сверху на измерительном блоке расположена измерительная головка для измерения толщины образца с ручкой коррекции установки "0" и рычагом перемещения подвижного стержня. Внутри измерительного блока расположены измерительная камера, в которую введен подвижный стержень измерительной головки. На стержне расположены испытательные электроды четырех типоразмеров, которые меняются посредством вращения.

Электроды измерительного стержня электрически соединены с корпусом (общим проводом) высоковольтного блока и клеммой защитного заземления, расположенной на задней стенке измерительного блока.

 

 

 

Рис. 4. Задняя панель измерительного блока

 

1. Защитный щиток.

2. Клемма заземления.

3. Штырь разъема высоковольтного кабеля.

4. Стойка.

5. Лабораторный штатив.

6. Разъем блокировки сетевого питания высоковольтного блока.

 

Стол измерительной камеры выполнен из изоляционного материала, с вмонтированным электродом, на который подается положительный испытательный потенциал с выхода высоковольтного блока посредством соединительного кабеля с высоковольтным коаксиальным разъемом, снабженным штырем, управляющим кнопкой БЛОКИРОВКА СЕТИ высоковольтного блока. При отсоединенном разъеме эта кнопка отключает электропитание от высоковольтного блока.

Внутри измерительной камеры расположено устройство крепления испытуемого образца и две стойки с винтами предварительной установки "0" измерительной головки. Измерительная камера снаружи закрыта защитным прозрачным щитком, который при открывании блокирует, посредством вмонтированного в измерительный блок концевого выключателя, электропитание высоковольтного блока, подводящееся к нему посредством соединительного кабеля от гнезда БЛОКИРОВКА СЕТИ.

В основании измерительного блока имеется отверстие для установки его на стойку и штатив.

Подготовка стенда к работе

Подготовьте образец диэлектрического материала к испытаниям. Для
испытания используйте образцы прямоугольной или круглой формы. Отсутствие поверхностного пробоя и искажения результатов испытаний гарантируется во всем диапазоне испытательного напряжения при расстоянии между соседними точками пробоя или точкой пробоя и краем образца не менее 45 мм.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Выключите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

2. Плавно поднимите защитный щиток измерительного блока.

3. Вращением винтов поднимите прижимную планку устройства крепления образца поз. 10 рис. 3.

4. Легким нажимом на боковой рычаг поз.2 рис.3 поднимите подвижный стержень вверх и введите между электродом и столом измерительной камеры испытуемый образец, после чего плавно отпустите боковой рычаг головки.

5. Вращением винтов опустите прижимную планку устройства крепления образца.

6. Плавно опустите защитный щиток измерительного блока.

7. Зафиксируйте значение толщины образца по показаниям индикатора измери­тельной головки.

8. Включите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

9. Нажмите и отпустите кнопку ЗАПУСК высоковольтного блока. При этом на цифровом индикаторе будут отображаться значения линейно возрастающего испытательного напряжения.

10. При возникновении пробоя (начинает светиться индикатор ПРОБОЙ и срабатывает звуковая сигнализация) зафиксируйте показания цифрового индикатора (гарантированное время фиксации значения напряжения пробоя 20с).

11. Нажмите и отпустите кнопку СБРОС высоковольтного блока. При этом показания цифрового индикатора обнуляются.

12. Выключите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

13. Плавно поднимите защитный щиток измерительного блока.