ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГ- РАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ставрополь

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ТЕСТЫ
Ставрополь
«АГРУС»
2012
УДК 621.3.002.3
Рецензенты: кандидат технических наук, доцент Э.К. Шарипов и кандидат технических наук, доцент Л.И. Тимошенко (кафедра теоретических основ электротехники)
Привалов Е.Е.
Электроматериаловедение. Лабораторный практикум. Тесты. Методическое пособие. – Ставрополь: АГРУС, 2012. - 81с.
Изложены основные методические рекомендации по изучению и исследованию
проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов
электроустановок потребителей. Методическое пособие содержит лабораторные
работы, выполняемые по общеобразовательным и профессиональным дисциплинам
«Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение». Даны тесты по темам дисциплин.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и
специальностям «Агроинженерия», «Электроэнергетика», «Электроснабжение»,
«Электротехника, электромеханика и электротехнологии», «Радиотехника» на бакалавров, специалистов и магистров.
УДК 621.3.002.3
 Е.Е. Привалов, 2012
 АГРУС, 2012
2
ВВЕДЕНИЕ
В материаловедении дисциплины «Электроматериаловедение»,
«Электротехнические материалы» и «Электротехническое материаловедение», на электроэнергетических факультетах высших учебных заведений, являются общеобразовательными и создают фундамент для изучения профессиональных и специальных дисциплин на старших курсах.
Выполнение студентами лабораторных работ и тестовых заданий
помогает им закрепить теоретические знания и приобрести навыки по
измерению электрических и других важных характеристик материалов,
согласно которым оценивается надежность изделий и оборудования
электроустановок.
Знание физической сущности явлений и процессов, анализ свойств
материалов, умение экономно и бережливо их расходовать, нужно для
обучения студентов и воспитании в будущих инженерах и бакалаврах
навыков грамотной эксплуатации электрооборудования.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО
ПРАКТИКУМА
Лабораторные работы по учебным дисциплинам «Электроматериаловедение», «Электротехнические материалы» и «Электротехническое
материаловедение», на электроэнергетических факультетах желательно
проводить после выполнения практических и лабораторных работ по
физике, материаловедению и теоретическим основам электротехники,
когда студенты освоят основы сборки электрических схем. В специализированной электротехнической лаборатории кафедры «Электроснабжение и эксплуатация электрооборудования» имеются стационарные и передвижные установки для проведения различных испытаний диэлектрических, электроизоляционных, проводниковых, полупроводниковых и
магнитных материалов. Электрические рабочие и другие схемы всех
установок напряжением до и выше 1кВ, используемых для выполнения
лабораторных работ, лаборантам и техникам кафедры необходимо собирать и проверять до начала занятий, чтобы сэкономить учебное время
студентов на выполнение работы.
Подготовка к лабораторным работам
До начала проведения цикла лабораторных работ по учебным дисциплинам «Электроматериаловедение», «Электротехнические материа3
лы» и «Электротехническое материаловедение» следует ознакомить
студентов с графиком проведения работ и последовательностью их выполнения в составе подгрупп и рабочих бригад. При подготовке к занятиям студентам необходимо ознакомиться с содержанием очередной лабораторной работы по настоящему учебно-методическому пособию. Во
время самостоятельной работы студенты должны повторить теоретический материал по конспекту лекций и учебному пособию, рекомендованному преподавателем.
Перед проведением лабораторных работ надо студенты должны
изучить инструкцию по охране труда в специализированной лаборатории кафедры. Преподаватель должен провести инструктаж по правилам
электробезопасности с обязательной росписью студентов в журнале инструктажей данной лаборатории. На протяжении всего цикла работ студенты должны выполнять общие правила охраны труда и электробезопасности на занятиях.
Правила выполнения лабораторных работ
Студенты должны строго придерживаться следующих правил выполнения лабораторных работ:
1. Входить в лабораторию только с преподавателем, инженером, лаборантом или мастером производственного обучения, которые допущены к
работе на электроустановках напряжением до и выше 1кВ.
2. Занимать рабочие места в лаборатории в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ.
3. Не уходить с рабочего места без разрешения преподавателя, мастера
производственного обучения или лаборанта кафедры.
4. Иметь рабочую тетрадь для записи кратких теоретических сведений,
перечня необходимых приборов и оборудования, расчетных формул,
вычерчивания электрических схем и таблиц с результатами испытаний
материалов.
5. После получения задания дополнительно изучить план работы, проработать необходимый теоретический материал, вычертить заданную схему лабораторной установки и подготовить устные объяснения по схеме.
6. Установить, какие зажимы (контакты) приборов и аппаратов соответствуют тем или иным точкам электрической схемы лабораторной установки и в каких положениях должны находиться органы ее управления.
7. Перед началом работы проверить исправность заземляющего проводника, наличие и исправность ограждения токоведущих частей лабораторной установки напряжением до и выше 1кВ.
8. Включать специализированные лабораторные установки стационарные и передвижные установки только с разрешения преподавателя или
4
мастера производственного обучения, которые допущены к работе на
электроустановках напряжением до и выше 1кВ.
9. После подачи высокого напряжения запрещено касаться ограждения
токоведущих частей лабораторной установки.
10. Получив разрешение от преподавателя на включение установки, студент должен предупредить рабочую бригаду словом «Включаю».
11. В случае работы с передвижными и стационарными установками
выше 1кВ, имеющими мощные электрические конденсаторы, после снятия напряжения обязательно разрядить конденсаторы на «землю» при
помощи специального приспособления, соединенного гибким медным
проводом с контуром заземляющего устройства.
12. Окончив работу, представить отчет по работе преподавателю, привести в порядок рабочее место, сдать его лаборанту и только с разрешения
преподавателя уйти из лаборатории.
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Наименование и цель работы.
2. Фамилию студента и номер учебной группы.
3. Теоретические сведения по теме работы.
4. Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.
5. Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.
6. Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные
при измерениях и вычислениях.
7. Обработка результатов измерения.
8. Обоснованные выводы по работе.
Обработка результатов измерения. При различных испытаниях и
исследованиях свойств электротехнических материалов результирующее
значение характеристик находят как среднее арифметическое всех параллельных вычислений параметров. Кроме того, полученные данные
подвергают статистической обработке, если это предусмотрено стандартом на электротехнические материалы или на метод испытаний.
Для повышения достоверности исследований, анализируют полученные значения параметров, отбрасывают сомнительные из них, затем
вычисляют среднее значение как среднее арифметическое X или среднее
логарифмическое Y всех результатов:
 Xi ,
(1)
X
N
5
(2)
Y  10 X ,
где N - число результатов измерений; X i - i -й результат параметра.
Стандартное отклонение отдельных значений S и стандартное отклонение среднего значения S измерений находят по формулам:
S
 Xi  X 
N 1
2
,
(3)
S
.
(4)
N
Определяют нижнюю и верхнюю границы доверительного интервала 2X , в котором заключено значение X :  X  X  и  X  X  , где
S
X - вероятное отклонение искомого параметра материала X от полученного среднего значения X :
tS
X 
 tS ,
(5)
N
где t - критерий точности (критерий Стьюдента), который определяется
в зависимости от заданной вероятности P и числа отдельных результатов N . Для электрических и механических характеристик основной считается вероятность P равная 0,95.
Вычисляют также коэффициент вариации среднего значения V , %,
и относительную погрешность  измерений (относительное отклонение), %:
S
V  100 ,
(6)
X
X

100 K .
(7)
X
Важно определить, какое должно быть число образцов электротехнического материала, чтобы средний параметр X был найден с заданной относительной погрешностью  при известном коэффициенте вариации V для вероятности P . Число образцов проводниковых и диэлектрических материалов K для P =0,8; 0,9; 0,95; 0,99 может быть найдено
по графику (рисунок 1). Согласно стандарту на измерения параметров
материала погрешность  =5%. Проверяем сомнительные значения параметра электротехнического материала. Если часть из них попадает в
интервал между значениями  X  X  и  X  X  , то выборку параметров увеличиваем за счет введения этих дополнительных результатов и
вновь определяем показатели статистической обработки для конкретной
лабораторной работы.
6
Рисунок 1 - Графики для определения числа образцов материала K и
расчета среднего исследуемого параметра X с заданной вероятностью
P , коэффициентом вариации V и относительной погрешностью  .
Каждый студент рабочей бригады обязан сдать преподавателю
личный отчет на проверку. Лабораторная работа считается выполненной, если отчет не содержит на титульном листе замечаний преподавателя по вышеперечисленным пунктам. Устранение замечаний выполняется студентом индивидуально во время самостоятельной работы до
начала следующего занятия.
7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследовать температурную зависимость удельного электрического сопротивления типовых металлических проводников используемых в
электроустановках различного назначения.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Изучить экспериментальные законы классической электронной
теории металлов для определения параметров удельных электрических
проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.
2. Изучить методы определения электрических сопротивлений металлических проводников.
3. Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрических удельных сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.
4. Выполнить измерения и расчеты электрических параметров металлических проводниковых материалов.
5. Построить температурные зависимости удельных электрических
сопротивлений различных металлических проводников и провести анализ полученных данных.
6. Сделать выводы и ответить на вопросы по работе.
7. Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
В соответствии с атомно-кинетической теорией средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой:
m0u 2
  kT ,
2
(1)
8
где u - средняя скорость теплового движения; k - постоянная Больцмана. Температуре 300К соответствует средняя скорость порядка 105м/с.
Плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение, определяется выражением:
J  env ,
(2)
где e - заряд электрона, n - концентрация свободных электронов в проводнике, v - средняя скорость направленного движения электронов
(скорость дрейфа).
В медном проводе плотности тока 106А/м2 соответствует скорость
дрейфа электронов порядка 10-4м/с, т. е. можно считать, что в реальных
условиях средняя скорость теплового движения u намного больше скорости направленного движения электронов v в проводнике.
После столкновения для большинства электронов скорость
направленного движения падает до нуля, т. е. накопленная кинетическая
энергия передается атомам кристаллической решетки металла. Поэтому
среднее значение скорости дрейфа за время свободного пробега равно
половине максимального:
v
eE
 0.
2m0
(3)
Поскольку средняя скорость теплового движения намного больше
скорости направленного движения электронов, то при расчете времени
свободного пробега добавку скорости дрейфа можно не учитывать:
l
u
0  ,
(4)
где l - средняя длина свободного пробега электронов.
Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности
тока приводит к следующему результату:
J
e2nl
E E,
2m0u
(5)
т.е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, а это есть аналитическое выражение закона Ома.
Вывод формулы (5) нельзя считать строгим, так как принималось
во внимание движение лишь одного электрона, а выводы распространялись на все свободные электроны. Более правильным было бы рассмотреть действие электрического поля на всю совокупность свободных
электронов, у которых суммарный импульс изменяется как под действием поля, так и под действием соударений с узлами кристаллической решетки. Такой анализ приводит к тому, что средняя скорость дрейфа
9
электронов оказывается вдвое больше. С учетом этой поправки выражение для удельной проводимости принимает следующий вид:
e2nl
.

m0u
(6)
Электроны в металле переносят не только электрический заряд, но
и выравнивают в нем температуру, обеспечивая высокую теплопроводность. Благодаря высокой концентрации свободных электронов, электронная теплопроводность преобладает над другими механизмами переноса теплоты. В соответствии с атомно-кинетической теорией идеального газа электронная теплопроводность металла запишем в виде:
1
2
T  knul .
(7)
Поделив выражение (7) на удельную электрическую проводимость,
найденную из формулы (5) получим:
T
(8)
 3k 2e2T  L0T ,

т. е. отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости
металла при данной температуре есть величина постоянная, независящая
от природы проводника. Отсюда следует, что хорошие проводники
электрического тока являются и хорошими проводниками теплоты.
k2
Константа L0  3 2 получила название числа Лоренца.
e
Таким образом, удельная электрическая проводимость металлических проводниковых материалов определяется в основном средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от
химической природы атомов и типа кристаллической решетки.
Известно, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю.
Рассеяние энергии, приводящее к появлению электрического сопротивления, возникает в тех случаях, когда в кристаллической решетке имеются нарушения ее правильного строения. Дефекты структуры проводникового металла могут быть динамическими и статическими, точечными и протяженными.
Любые неоднородности структуры кристаллической решетки препятствуют распространению электронных волн, вызывают рост удельного электрического сопротивления материала. В чистых металлических
проводниковых материалах единственной причиной, ограничивающей
длину свободного пробега электронов, является тепловое колебание
атомов в узлах кристаллической решетки.
10
Таблица 1 - Средняя длина свободного пробега электронов при 0оС для
типовых металлов ( l 1010,м)
Li -110
Na -350
K -370
Ni -133
Cu -420
Ag -570
Au -410
Fe -220
Длина свободного пробега электронов в чистом металле обратно
пропорциональна температуре. В области низких температур рассеяние
электронов тепловыми колебаниями узлов решетки становится неэффективным. Взаимодействие электрона с колеблющимся атомом лишь незначительно изменяет импульс электрона. В теории колебаний атомов
решетки температуру оценивают относительно некоторой характеристической температуры, которую называют температурой Дебая (θ Д). Температура Дебая определяет максимальную частоту тепловых колебаний,
которые могут возбуждаться в металлическом проводнике. Эта температура зависит от сил связи между узлами кристаллической решетки и является важным параметром металла.
Если температура проводника больше температуры Дебая, то
удельное электрическое сопротивление изменяется линейному закону до
точки плавления металлического проводника. Типичная кривая изменения удельного сопротивления металлического проводникового материала в зависимости от температуры представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления металлического
проводника от температуры в широком диапазоне температур:
а, б, в – варианты изменения удельного сопротивления у различных расплавленных металлов
11
Как показывает эксперимент, линейная аппроксимация температурной зависимости  T  справедлива и до температур порядка
2
Ä ,
3
где ошибка не превышает 10%. Для большинства металлов характеристическая температура Дебая не превышает 400 - 450К. Поэтому линейное приближение обычно справедливо при температурах от 20 0С и выше. В низкотемпературной области T Ä  , где спад удельного сопротивления обусловлен постепенным исключением все новых и новых частот
тепловых колебаний (фононов), теория, предсказывает степенную зависимость ÒÒ5 . Температурный интервал, в котором наблюдается резкая
степенная зависимость  T  , обычно бывает довольно небольшим, причем экспериментальные значения показателя степени лежат в пределах
от 4 до 6.
В узкой области I, составляющей несколько градусов Кельвина, у
ряда металлов может наступить состояние сверхпроводимости. На рисунке виден скачок удельного сопротивления при температуре ÒÑÂ .
В пределах переходной области II наблюдается быстрый рост
удельного сопротивления Òn , где n может быть до 5 и постепенно убывает с ростом температуры приблизительно до 1 при температуре Ò   Ä .
Линейный участок (область III) в температурной зависимости у
большинства металлов простирается до температур, близких к точке
плавления ТПЛ. Вблизи точки начала плавления ТНП, т. е. в области IV, в
обычных проводниковых металлах может наблюдаться некоторое отступление от линейной зависимости.
При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления приблизительно в 1,5 - 2 раза. Эксперименты выявили следующую закономерность: если плавление металла сопровождается увеличением объема, то
удельное сопротивление скачкообразно возрастает (кривые а и б); у металлов с уменьшением объема происходит понижение сопротивления
(кривая в).
На рисунке 2,а показана зависимость удельного сопротивления
медного проводника от температуры в широком интервале температур, а
на рисунке 2,б дополнительно при низких температурах.
Хотя, как известно, сверхпроводимости у меди не обнаружено, однако при температурах порядка 10 - 20К удельное сопротивление меди
весьма маленькое и отличается от сопротивления при 20°С почти на три
порядка.
12
Рисунок 2 – Зависимости удельного электрического сопротивления
от абсолютной температуры для меди (а) и алюминия и меди (б) при
низких температурах
Зависимость некоторых физических свойств алюминия от температуры показана на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимости удельного электрического сопротивления, удельной теплоемкости и температурного коэффициента линейного
расширения от температуры для алюминия
13
Известно, что при температуре жидкого азота алюминий почти сравнивается с медью по значению удельного сопротивления, а при еще более
низких температурах становится даже лучше ее. Поэтому перспективно
использование алюминия в качестве низкотемпературного проводника.
Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин (градус) называют температурным
коэффициентом удельного сопротивления:
1 d
.
(9)
  
 dT
Положительный знак   соответствует случаю, когда удельное сопротивление в окрестности данной точки возрастает при повышении
температуры. Величина коэффициента   также является функцией
температуры. В области линейной зависимости  T  справедливо выражение:
  0 1    T  T0  ,
(10)
где  0 и   - удельное сопротивление и температурный коэффициент
удельного сопротивления начала температурного диапазона ( T0 );
 - удельное сопротивление при температуре Т.
Значение коэффициентов   чистых проводниковых металлов
близко к обратно пропорциональной зависимости ( 1T ). Согласно экспе-
риментальным данным большинство металлов при комнатной температуре имеют параметр   = 0,004 К-1, а повышенным коэффициентом  
характеризуются ферромагнитные металлы, например, сталь (железо).
Методы определения электрических сопротивлений металлических проводников. Электрическое сопротивление по постоянному и переменному току измеряется при помощи мостовых электрических схем.
Благодаря своей простоте и высокой точности для измерения сопротивлений часто используется мостовая схема Уитстона.
Мост состоит из четырех проводников, имеющих различные номиналы электрических сопротивлений. В плечо моста AB включается исследуемое неизвестное сопротивление R X а в плечо BC - магазин сопротивлений Rm . В плечи DC и AD включаются одинаковые сопротивления R1 и R2 . Эти сопротивления образуют электрический контур
ABCDA , в одной диагонали которого через ключ ( K ) включен источник
питания ( ÈÏ ), а в другой - гальванометр ( Ã ).
14
Рисунок 2 - Мостовая схема Уитстона
Измеряя величину неизвестного сопротивления R X нужно подобрать электрические сопротивления плеч моста так, чтобы при замыкании ключа в гальванометре величина тока была равна нулю.
В этом случае точки электрической цепи B и D имеют одинаковые потенциалы. Такое положение называется равновесием мостовой
схемы. При равновесии моста, на основании закона Кирхгофа, соотношение между сопротивлениями плеч моста:
RX R1
,

Rm R2
(11)
откуда измеряемое сопротивление проводникового материала:
RX 
Rm R1
.
R2
(12)
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В состав лабораторной установки входит следующее оборудование, устройства и приборы: индикатор сопротивления ММВ, специализированные измерительные мосты Р316 и МО-62, микрометры, штангенциркули, рулетка пятиметровая, наборы исследуемых электрических
проводов с изоляцией различного диаметра.
15
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Микрометром (штангенциркулем) измерить диаметры d исследуемого набора проводников, с учетом толщины изоляции провода d Ï Ð .
d  d Ï Ð  2h
(13)
Таблица 2 - Справочные данные для расчета диаметра провода без
изоляции
Диаметр
провода d Ï Ð , мм
<0.2
Толщина
изоляции h ,мм
0,015
0.2...0.24
0,02
0.241...0.5
0,03
0.501...0.8
0,04
0.8
0,05
2. Определить площадь поперечного сечения провода без изоляции:
d2
S
.
(14)
4
Полученные данные занести в таблицу 3. Длина l исследуемого проводника указана на каждом образце материала.
Таблица 3 - Расчетные значения образцов проводниковых материалов
ДиС
Д
СопроУдельУдель
Номер метр про- ечение, лина тивление R, ное сопро- ная
обводника,
Противление,  ,
разца d,
S,
Ом
м к Ом водимость
п
мм
М
м
,
м
ровоМ
МОм/
1
да
м
2№
См м
3
4
16
3. Проверить исправность приборов. Провести измерения электрических
сопротивлений образцов проводниковых материалов.
ММВ. Подключить измеряемое сопротивление к зажимам прибора. Поставить в соответствующее положение переключатель диапазонов,
нажать на кнопку и вращать ручку до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нулевую отметку. Произвести отсчет.
МО-62 . Подключить измеряемое сопротивление к зажимам П1,
П2.На переключателе плеч отношения установить выбранный множитель N (0,01 или 0,1). При нажатой кнопке «грубо», а затем «точно»
вращением рукояток переключателей «xl00», «xl0», «xl», «0.01», «0.1»
установить стрелку гальванометра на нуль. Произвести отсчет.
Р316. Порядок измерения указан на крышке прибора.
4. Измерить сопротивления металлических проводников. Данные измерений занести в таблицу 3.
5. Рассчитать величины удельного сопротивления и удельной проводимости проводниковых материалов. Данные занести в таблицу 3.
6. Проанализировав результаты расчетов параметров, определить виды
металлов (сплавов) из которых изготовлены проводники.
7. Рассчитать температурную зависимость удельного электрического сопротивление заданного проводникового материала до температуры
начала плавления.
8. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1
Наименование и цель работы.
1.
Фамилию студента и номер учебной группы.
2.
Основы классической электронной теории металлов для
определения параметров удельных электрических проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.
3.
Метод определения электрических сопротивлений металлических проводников с помощью мостовой схемы.
4.
Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.
5.
Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.
6.
Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.
7.
Обоснованные выводы по работе.
17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Чему равна средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения?
2.
Чему равна плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение?
3.
Сформулируйте аналитическое выражение закона Ома для проводника в электрическом поле?
4.
Что представляет число Лоренца для металлических проводников?
5.
Что определяет характеристическая температура Дебая в металлическом проводниковом материале?
6.
Нарисуйте температурную зависимость удельного сопротивления
проводника до температуры плавления металла.
7.
Нарисуйте принципиальную электрическую схему моста Уитстона.
8.
Объясните принцип действия мостовой схемы Уитстона.
9.
Какие у проводниковой меди достоинства?
10. Какие у проводниковой меди недостатки?
11. Какие достоинства у проводникового алюминия?
12. Какие недостатки у проводникового алюминия?
13. Какие у металлов со средним значением температуры плавления
достоинства?
14. Какие у металлов со средним значением температуры плавления
недостатки?
15. Какие свойства у тугоплавких электротехнических металлов?
16. Какие благородные металлы применяются в автоматике электроустановок в качестве проводниковых? Перечислите их свойства.
17. Какие припои применяются при эксплуатации электроустановок?
Перечислите их свойства.
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО
ЭЛЕМЕНТАМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследовать характер распределения напряжения на изолирующих и
проводниковых элементах конструкций воздушной линии электропередач
напряжением выше 1кв на примере модели гирлянды из пяти изоляторов.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1
Изучить влияние диэлектрических потерь на характер распределения электрического напряжения по элементам конструкции воздушной
линии электропередач напряжением выше 1кВ.
2
Изучить методы определения падения напряжений на примере модели гирлянды изоляторов воздушной линии электропередач.
3
Изучить лабораторную установку для определения отклонения
электрических напряжений на модели гирлянды изоляторов.
4
Выполнить измерения и провести расчеты распределения отклонений напряжения на элементах модели гирлянды изоляторов.
5
Построить электрические характеристики модели гирлянды изоляторов при появлении токов утечки на элементы конструкции воздушной
линии электропередач напряжением выше 1кВ.
6
Провести анализ полученных экспериментальных данных и сделать выводы по лабораторной работе.
7
Сделать выводы и ответить на вопросы по лабораторной работе.
8
Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом
поле. Потери энергии в диэлектриках происходят как при переменном, так
19
и при постоянном напряжении, поскольку в изоляторах гирлянды по конструкциям воздушной линии электропередач протекает сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При эксплуатации электроустановок постоянного напряжения качество электроизоляционного материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений изоляции электрооборудования.
При воздействии переменного напряжения на изоляторы в них
кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Например, потери
возрастают, если в твердом диэлектрике есть газовые включения (поры). Поэтому качество электротехнических материалов гирлянды недостаточно характеризовать только сопротивлением ее изоляции.
Рассмотрим схему одного элемента гирлянды высоковольтной конструкции, эквивалентную конденсатору с диэлектриком. Схема выбрана с
таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в ней, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора.
Задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальным
конденсатором с параллельно или последовательно включенным активным сопротивлением.
Эквивалентные схемы одного изолятора гирлянды высоковольтной
конструкции и соответствующие векторные диаграммы токов и напряжений представлены на рисунке 1.
Параллельная и последовательная схемы одного изолятора эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений
Z1 = Z2 = Ζ равны их активные и реактивные составляющие.
Рисунок 1 – Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные электрические схемы диэлектрика с потерями и соответствующие
им векторные диаграммы
20
Для параллельной схемы из векторной диаграммы параметры:
tg 
Ia
1
.

I c C p R
(1)
Pa  UI a  U 2C ptg ,
(2)
а для последовательной схемы:
tg 
Ua
 Cs r ;
Uc
U 2r
Pa  IU a  I r  2 2 
x r
2
(3)
U 2r
U 2Cstg
.

1  tg 2
r2 
2
x 1  2 
 x 
(4)
Приравнивая выражения (2) и (4), а также (1) и (3) найдем соотношения между емкостями C p и CS , и между сопротивлениями
Rи r :
Cs
;
1  tg 2

1 
R  r 1  2  .
 tg  
Cp 
(5)
(6)
Для изоляторов можно пренебречь значением параметра tg 2 по
сравнению с единицей в формуле (5) и считать емкости C p  Cs  C .
Выражения для мощности, рассеиваемой в конструкции гирлянды
изоляторов, в этом случае будут также одинаковы у обеих схем:
Pa  U 2Ctg .
(7)
При переменном напряжении емкость изолятора гирлянды воздушной линии электропередач с большими потерями становится условной величиной и зависит от выбора эквивалентной схемы.
Для изоляторов линии электропередач напряжением выше 1кВ параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив значения емкости и эквивалентного сопротивления для данной конструкции
изоляторов при промышленной частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла диэлектрических потерь при другой частоте.
Такой расчет справедлив только в случаях, когда эквивалентная
схема гирлянды изоляторов имеет физическое обоснование. Если для высоковольтного изолятора известно, что потери в нем определяются только
потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то
угол потерь изолятора гирлянды может быть вычислен для любой рабочей
21
частоты, лежащей в этом диапазоне. Потери в таком изоляторе определяются выражением:
U2
Pa 
.
R
(8)
Pa  U 2Ctg  U 2 2C 2r .
(9)
Если же потери в электроизоляционном материале конструкции воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ обусловлены сопротивлениями соединительных проводов и электродов гирлянды изоляторов,
то рассеиваемая мощность возрастет пропорционально квадрату частоты:
Из выражения (9) можно сделать практический вывод: изоляторы на
воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое
сопротивление электродов, соединительных проводов и переходных
контактов.
Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема изолятора,
называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:
Pa U 2Ctg U 2 0 Stg
p 

  0 tg E 2 ,
V
Sh
Shh
(10)
где V - объем диэлектрика между плоскими электродами, м2; E - напряженность электрического поля, В/м.
Параметр  tg    называют коэффициентом диэлектрических потерь. Удельные диэлектрические потери в электроизоляционном материале
конструкции гирлянды воздушной линии пропорциональны коэффициенту потерь.
Таким образом, диэлектрические потери имеют значение для электроизоляционных материалов, используемых в электроустановках напряжением выше 1кВ, работающих как на промышленной, так и на высокой
частоте, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально
квадрату приложенного напряжения и частоте электрической сети.
Большие диэлектрические потери в изоляторе воздушной линии вызывают сильный нагрев конструкции и могут привести к его тепловому и механическому разрушению гирлянды изоляторов воздушной линии.
В изоляторах гирлянды линии электропередач напряжением выше
1кВ наблюдаются три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Каждый из указанных механизмов пробоя
может иметь место в одном и том же материале в зависимости от харак22
тера электрического поля электроустановки напряжением выше 1кВ постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов,
закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.
Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется
весьма быстрым развитием и протекает за время не более 10 -7 - 10 -8с. Пробой не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при
электрическом пробое зависит от температуры. Пробой сопровождается в
своей начальной стадии разрушением диэлектрика гирлянды изоляторов
в очень узком канале.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из начальных электронов в изоляторе создается
электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией, которая ускоряет образование проводящего канала в изоляторе. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам
кристаллической решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести
к появлению трещин в керамическом изоляторе или полному разрушению
стеклянного изолятора гирлянды.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние
электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев
изолятора, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае
однородного поля и полной однородности структуры материала изолятора, пробивные напряженности поля при электрическом пробое могут
служить мерой электрической прочности конструкции гирлянды. Такие
условия наблюдают у монокристаллов многих окислов и органических полимеров, используемых в различных изоляторах. Электрический пробой
наблюдается у большинства изоляторов при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения на гирлянду.
Тепловой пробой конструкции воздушной линии электропередач
возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в изоляторе гирлянды, превышает то количество энергии, которое
может рассеиваться в изоляторе в данных условиях. В результате нарушается тепловое равновесие изолятора, а процесс потери электрической
прочности приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву изоляционного материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию изолятора гирлянды. Электрическая прочность при
тепловом пробое является характеристикой не только изолятора, но и
конструкции гирлянды, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное
23
напряжение, обусловленное нагревом изолятора, связано с частотой
напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды
и другими факторами. Пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют
более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях.
Признаками теплового пробоя гирлянды изоляторов является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды. В реальных условиях явление теплового пробоя
изоляторов протекает сложно. По толщине изолятора образуется перепад
температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие
к креплению гирлянды, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля. Имеет значение также и теплопроводность
электротехнического материала конструкции гирлянды. Все это способствует пробою изоляторов при более низких напряжениях.
Рассмотрим схему конструкции гирлянды, состоящей из пяти изоляторов, электрическую схему замещения и зависимости распределения
напряжения вдоль элементов гирлянды от расстояния (рисунок 2).
На воздушных линиях электропередач напряжением выше 1кВ
широко используются линейные гирлянды изоляторов, распределение
напряжения, по элементам которых можно определить с помощью схемы замещения, показанной на рисунке 2, где
 С - емкость диэлектрического материала изоляторов;
 С1 - емкость металлических элементов изоляторов относительно
заземленных частей металлической опоры;
 С2 - емкость металлических элементов конструкции изоляторов
относительно находящегося под напряжением фазного провода;
 R - сопротивление току утечки по поверхности изолятора.
Линейные гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов
и значения емкости схемы замещения находятся в следующих пределах:
С – 30…70пФ; С1 – 4…5пФ; С2 - 0,5…1,0пФ.
Разновидностью теплового пробоя изолятора можно считать ионизационный пробой. Явление характерно для изоляторов из твердых пористых
диэлектриков и обусловлено ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в изоляторе гирлянды и связанные с ними термомеханические напряжения конструкции. Такие процессы опасны в
хрупких электротехнических материалах конструкции гирлянды, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание изоляторов гирлянды.
24
При чистой и сухой поверхности изоляторов активное сопротивление изолятора очень большое, поэтому R = ∞. Изоляторы гирлянды с потерями представлены в виде эквивалентной схемы (рисунок 2,б). В реальных условиях величина тока, протекающего через изоляторы, не
остается постоянной и напряжение вдоль гирлянды распределяется неравномерно (рисунок 2,в).
а)
б)
в
Рисунок 2 – Линейная гирлянда высоковольтных изоляторов: a конструкция гирлянды из пяти изоляторов; б – электрическая схема за-
25
мещения гирлянды; в - влияние расположения изоляторов на распределение напряжения вдоль элементов гирлянды
Независимо от выбора эквивалентной схемы гирлянды ряд параметров, характеризующих конструкцию, остается неизменным. К таким
параметрам схемы относятся:
 сдвиг фаз между током в неразветвленной части цепи и падением
напряжения на всех элементах цепи;
 значения тока и напряжения эквивалентной схемы;
 диэлектрические потери в конструкции гирлянды изоляторов.
При этом изоляторы, расположенные в средней части гирлянды,
оказываются менее нагруженными, чем у ее концов. Вследствие того,
что емкость С1 > С2 наибольшее падение напряжения приходится на
изоляторы ближайшие к фазному проводу линии электропередачи.
Выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды способствует применение специальной установочной арматуры в виде колец, восьмерок и овалов, которые применяются в месте подвески провода и увеличивают емкость С2 ближайших к проводу изоляторов.
При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов
активное сопротивление уменьшается, поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлениями
току утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены равномерно по всей поверхности конструкции, то происходит естественное
выравнивание распределения напряжения и увеличение тока утечки.
Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов зависит не
от величины приложенного напряжения высоковольтной линии электропередачи, а от соотношения параметров схемы замещения емкостей
С, C1,C2 и сопротивления R. Это позволяет моделировать в лабораторных условиях процессы в гирлянде изоляторов при безопасных сверхнизких напряжениях.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторная установка выполнена в виде стенда и на переднюю панель выведены переключатели SA1...SA9; клеммы XS1...XS7
схемы замещения гирлянды, автоматический выключатель QF1.
Стенд включает в себя лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)
обозначение (TV) и схему замещения гирлянды изоляторов, состоящую
из пяти активно – емкостных звеньев с элементами С = 4мкФ; С1 =
26
0,5мкФ; С2 = 0,1мкФ; а также активного сопротивления R, которое меняется в пределах от 150Ом до 4,ЗкОм.
На рисунке 3 показана схема лабораторной установки.
Рисунок 3 – Электрическая принципиальная схема лабораторной
установки
Переключатели SA1…SA9 позволяют имитировать различные токи утечки, моделируя различные условия эксплуатации, линейной гирлянды изоляторов высоковольтной воздушной линии электропередачи.
Переносной вольтметр PV предназначен для измерения напряжения в
заданных точках схемы замещения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать схему измерения, подсоединив клеммы автотрансформатора
TV к входным клеммам XSA1, XSA7 схемы замещения изоляторов.
2. Подготовить к измерениям переносной вольтметр PV.
3. Подать питание, включив на стенде автоматический выключатель
QF1.
4. Подключить переносной вольтметр PV к клеммам XSA1, XSA7 на
входе схемы.
5. Установить на входе схемы замещения безопасное постоянное напряжение U1 = 100В.
27
6. Подключая переносной вольтметр последовательно к клеммам XSA2,
XSA3, XSA4, XSA5 и XSA7 схемы, снять значения напряжения для пяти
вариантов работы схемы замещения:
a) R = ∞,
С1 = С2 = 0;
б) R = ∞,
С1 ≠ 0,
С2 = 0;
в) R = ∞,
С1 ≠ 0,
С2 ≠ 0;
г) R = ∞,
С1 = 0,
С2 ≠ 0;
д) R ≠ ∞,
С1 ≠ 0,
С2 ≠ 0.
8. Заполнить таблицу 1 по каждому из пяти вариантов для отношений
постоянных напряжений
Ui
схемы, где i = 2...5 (номера клемм).
U1
Таблица 1 – Относительные значения напряжений на изоляторах гирлянды
Варианты
U2 / U1
U3 / U1
U4 / U1,
U5 / U1
а|
б
в
г
д
8. Закоротить одну из емкостей гирлянды изоляторов по заданию
преподавателя (режим электрического пробоя изолятора), соединив проводником соответствующие клеммы электрической схемы.
9. Повторно снять значения напряжений U2,U3,U4,U5 на элементах схемы
с учетом пробоя изолятора и заполнить через разделительную черту от
предыдущих значений напряжения таблицу 1.
10. Построить графики распределения напряжения на гирлянде изоляторов для заданных вариантов схемы замещения.
11. Определить наиболее нагруженные изоляторы гирлянды и рассчитать падение напряжения на конструкциях гирлянды для одной из
воздушных линий напряжением 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ.
12. По данным справочных таблиц 2 – 4 определить необходимое количество изоляторов для высоковольтной линии электропередачи на
деревянных, металлических и железобетонных опорах в условиях чистой
и загрязненной атмосферы.
Нормативными документами определены шесть степеней загрязнения атмосферы:
 1 степень – особо чистые районы;
28
 степень - земледельческие районы и промышленные районы (количество растворимых солей в почве меньше 0,5%);
 3, 4, 5, 6 степени - определяются по уровню опасности загрязнений
предприятиями, состояния почв и водоемов и расстояния воздушной линии электропередачи от источника загрязнения.
13. Выбираем изолятор, выдерживающий расчетное значение пробивного напряжения по таблице 2.
Таблица 2 - Характеристики линейных изоляторов
Длина
Выдержипути
тока ваемое
утечки,
напряжеТип изомм
ние, кВ
лятора
импульсное
1,2В / 50Гц,
не менее
ПС-40
ПС-40А
ПС-70Д
ПС-70В
ПС-70Е
ПСГ-70А
ПВГ-70Б
ПС-120Б
ПС-160Д
ПС-210В
ПФ-200А
185
190
290
295
303
400
375
120
370
370
420
70/70
70/70
100/100
100/100
100/100
110/110
110/110
100/100
100/100
100/100
125/125
Выдерживаемое напряже- сса,
ние, кВ,
частотой 50
Гц
под
дождем,
не менее
30
33
40
40
40
40
40
40
45
45
50
Ма
кг
1,7
1,7
3,4
3,4
3,4
4,2
4,7
3,9
6,0
7,1
9,8
Примечание. Буквы в типах изоляторов обозначают: П - подвесной; С стеклянный; Ф - фарфоровый; Г - грязестойкий; цифры 40, 70, 120, 160,
200 и 210 – механическая разрушающая нагрузка, кН. А, Б, В, Г, Д - степени опасности загрязнений изоляторов выбросами промышленных
предприятий и тепловых электростанций.
14. Выбираем количество изоляторов, по длине пути тока утечки, в
условиях чистой и загрязненной атмосферы, используя таблицы 3 и 4.
29
Таблица 3 – Выбор изоляции для загрязнённых воздушных линий электропередачи
Напряжение,
кВ
35
110
150
Длина пути утечки по категориям
электрооборудования, см
А
Б
В
70
190
260
105
280
390
140
390
535
Примечание. По степени опасности загрязнения атмосферы промышленные предприятия и тепловые электростанции разделяются на группы
А, Б, В, Г, Д.
Таблица 4 - Количество изоляторов в гирляндах воздушных линий на
деревянных, металлических и железобетонных опорах в условиях чистой атмосферы
Тип изолятора
ПС-40А
ПСГ-70А
ПС-70Д
ПФ-70В
ПС-120Б
ПФ-200А
Количество изоляторов, шт.,
при нормальном напряжении, кВ
35
110
150
3
3
8
7
10
9
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1 Наименование и цель работы.
2 Фамилию студента и номер учебной группы.
3 Эквивалентные схемы изолятора гирлянды высоковольтной воздушной линии электропередач и соответствующие векторные диаграммы токов и напряжений.
4 Анализ возможных механизмов потери электрической прочности
диэлектрическими материалами конструкции линии электропередач.
30
5 Чертеж схемы конструкции гирлянды, состоящей из пяти изоляторов, электрическую схему замещения и зависимости распределения напряжения вдоль элементов гирлянды.
6 Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.
7 Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.
8 Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные
при измерениях и вычислениях.
9 Обоснованные выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называют диэлектрическими потерями в изоляторе?
2. Какие механизмы превращения электрической энергии в тепловую
наблюдаются при воздействии переменного напряжения на изоляторы
гирлянды?
3. С каким расчетом выбрана схема замещения изоляторов гирлянды высоковольтной конструкции, эквивалентная конденсатору с диэлектриком?
4. Нарисуйте последовательную эквивалентную схему замещения одного
изолятора гирлянды высоковольтной конструкции и соответствующие ей
векторную диаграмму токов и напряжений.
5. Нарисуйте параллельную эквивалентную схему замещения одного изолятора гирлянды высоковольтной конструкции и соответствующие ей
векторную диаграмму токов и напряжений.
6. Какое выражение для активной мощности, рассеиваемой в конструкции гирлянды изоляторов?
7. Чему равны диэлектрические потери в изоляторе, если потери в нем
определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот?
8. Чему равны диэлектрические потери в изоляторе, если потери в нем
обусловлены сопротивлениями соединительных проводов и электродов
гирлянды изоляторов?
9. Какая зависимость определяет удельные диэлектрические потери в
изоляторе гирлянды?
10. Какой параметр называют коэффициентом диэлектрических потерь
изолятора?
11. К чему могут привести большие диэлектрические потери в изоляторе?
12.Что является разновидностью теплового пробоя и к чему этот вид пробоя может привести изоляторы из твердых пористых диэлектриков?
31
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить методы измерения электрических сопротивлений линейных
и пространственных полимеров применяемых в качестве диэлектрических
материалов в электроустановках.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1 Изучить свойства линейных и пространственных полимеров применяемых в качестве электроизоляционных материалов электроустановок.
2 Изучить методы определения электрических сопротивлений полярных и неполярных материалов применяемых для изоляции изделий в электроустановках.
3 Изучить лабораторную установку, приборы и приспособления для
определения электрических сопротивлений линейных полярных
материалов электрооборудования.
4 Выполнить измерения и расчеты параметров электрических сопротивлений диэлектрических материалов электрических машин.
5 Провести анализ полученных экспериментальных данных и сделать выводы по лабораторной работе.
6 Ответить на вопросы по лабораторной работе.
7 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Линейные и пространственные полимеры.
В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры делят на два основных типа - линейные и пространственные. Между
свойствами линейных и пространственных полимеров имеются существенные различия.
Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны,
большинство из них при умеренном повышении температуры легко размяг32
чается и расплавляется. Пространственные полимеры обладают большой
жесткостью, расплавление их происходит при высоких температурах, а многие из них до достижения температуры плавления разрушаются химически
(сгорают, обугливаются). В связи с этими свойствами линейные полимеры
в практике называют термопластичными материалами, а пространственные термореактивными.
Благодаря слабому межмолекулярному взаимодействию линейные
полимеры обладают способностью набухать и растворяться в подходящих по составу растворителях с образованием вязких растворов, из которых затем получают прочные пленки и волокна. Пространственные полимеры с трудом поддаются растворению, а значительная часть из них нерастворима. Типичными пространственными полимерами являются феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, сильно вулканизированный каучук (эбонит).
Гибкость и химическая связь. Высокая гибкость линейных полимеров определяется двумя одинаково важными факторами - размером макромолекул и природой химической связи между атомами. Например, в полиэтилене, как и в других насыщенных углеводородах, каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи, направленные к углам правильного тетраэдра.
Тепловые толчки не в состоянии вызвать движение всей макромолекулы в структуре полимера. Однако благодаря гибкости молекулярных
цепей в тепловом движении могут участвовать отдельные участки макромолекулы, называемые сегментами. Чем меньше размер сегментов, способных к самостоятельному перемещению, тем больше гибкость макромолекулы. У линейных полимеров сегменты обычно состоят из нескольких десятков звеньев.
Структурные формы и физическое состояние полимеров. Макромолекулы могут быть регулярными и нерегулярными. Полимер построен регулярно, если соблюдается совершенный дальний порядок расположения
звеньев по цепи. За счет сил межмолекулярного взаимодействия несколько
соседних макромолекул могут организоваться в пачки (пучки параллельных молекул). Полимеры с гибкими макромолекулами регулярного строения обладают способностью образовывать кристаллическую фазу, которая
характеризуется упорядоченным расположением молекул. Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трехмерного дальнего порядка в
расположении макромолекул.
Состав полимерных цепей. По химическому составу полимеры
можно разделить на органические и элементоорганические. К органическим полимерам относят такие высокомолекулярные соединения,
33
у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода
с кислородом, азотом, серой и фосфором.
Электрические свойства. Строение макромолекул во многом
определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи
углерода с другими элементами в той или иной степени полярны изза различия электроотрицательностей атомов, участвующих в связи.
Суммарный дипольный момент молекулы определяется векторной
суммой дипольных моментов отдельных связей. Если молекула имеет
симметричное строение, то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешивать друг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равен нулю.
Вещества с несимметрично построенными звеньями полимерных
молекул являются дипольными и обладают известной гигроскопичностью, невысокими или средними электрическими характеристиками.
Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными
молекулами неполярные. Гигроскопичность их мала и поэтому высокомолекулярные углеводороды имеют малое значение тангенса угла
диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость.
Нагревостойкость. Большинство органических полимеров может
длительно работать при температурах ниже 100°С. Выше этой температуры, как правило, происходит быстрое тепловое старение материала.
Поэтому основной проблемой всегда было создание нагревостойких материалов при сохранении у них гибкости и эластичности. Такими материалами являются фторсодержащие полимеры, кремнийорганические соединения, полиимиды.
Линейные полимеры
Неполярные материалы. К ним относятся такие полимеры, у которых мономерные звенья макромолекул не обладают дипольным моментом.
Из материалов этой группы важное техническое значение имеют полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (таблица 1).
Полиэтилен, является продуктом полимеризации этилена в присутствии катализаторов. При полимеризации получают полиэтилены высокого, среднего и низкого давления, отличающиеся друг от друга степенью
кристалличности и механической прочностью. Так, если предел прочности
при растяжении первого равен в среднем 14МПа, то второго и третьего
приблизительно 30МПа, относительные удлинения при разрыве соответственно 600 и 400%.
Полиэтилен обладает сравнительно большой эластичностью. Его отличает высокая стойкость к действию кислот и щелочей.
34
Таблица 1 – Основные свойства неполярных полимеров
№
1
2
3
4
5
Свойства
Удельное объемное сопротивление, Ом м
Относительная
диэлектрическая
проницаемость
Тангенс
угла
диэлектрических потерь при
106 Гц
Электрическая
прочность,
МВ/м
Нагревостойкость, 0C
Полиэтилен
Полистирол
Фторопласт
1014  1015
1014  1016
1014  1016
2,3-2,4
2,5-2,6
1,9-2,2
0,00020,0005
0,00020,0004
0,00020,0003
40-150
20-110
40-250
105-130
75-80
300
Полистирол получают из мономера стирола. Материал представляет собой легкую бесцветную синтетическую жидкость с характерным
запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В
темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в
твердую, прозрачную и бесцветную, как стекло, массу. Для полистирола
среднее значение степени полимеризации п может доходить до 6000. С
целью предотвращения нежелательной самопроизвольной полимеризации
стирола во время хранения к нему добавляют специальные вещества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества получили название
ингибиторов.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ). Макромолекула ПТФЭ имеет
регулярное симметричное строение.
Диэлектрик выделяется высокой стойкостью к нагреву (около 300°С)
и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Материал
не горит, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.
Как видно из таблицы 1, все неполярные полимеры характеризуются
небольшой диэлектрической проницаемостью, малыми диэлектрическими
потерями, высокой электрической прочностью и высоким удельным со35
противлением. Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров
в основном определяется электронной поляризацией. Поэтому значение
параметра  не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением
температуры.
Диэлектрические потери в неполярных полимерах очень чувствительны к полярным примесям. Тщательной очисткой материала
удается снизить релаксационные потери.
Полярные полимеры
У линейных полимеров из-за асимметрии строения молекул
сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. Поэтому
они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по
сравнению с неполярными полимерами. Материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамидные смолы.
П о л и в и н и л х л о р и д (ПВХ) - твердый продукт полимеризации газообразного винилхлорида H 2C  CH  Cl представляющего
собой этилен, в молекуле которого один атом H замещен атомом Cl .
Благодаря сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является материалом жестким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы. Введение полярного пластификатора ухудшает
электрические свойства полимера.
П о л и э т и л е н т е р е ф т а л а т (лавсан) - это термопластичный
полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Материал обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой
температурой размягчения. Это - дипольный диэлектрик. Свойства лавсана характеризует рисунок 1. Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок. При повышенных температурах диэлектрик быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала
производят в атмосфере нейтрального газа (азота).
Полярные полимеры по сравнению с неполярными диэлектриками,
характеризуются примерно на два порядка большим значением параметра
tg и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением  . Поэтому
полярные полимеры используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот. Следствием полярности является сильная зависимость удельного поверхностного сопротивления от влажности окружающей среды.
36
Рисунок 1 – Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь
диэлектрической проницаемости полиэтилентерефталата (ПЭТ) от температуры частоты
Из лавсана получают тонкие пленки для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделий, рассчитанных на
рабочую температуру - 60 - +150°С. Пленки из лавсана с наиболее высокой механической прочностью имеют толщину около 6,5мкм. Конденсаторы из таких пленок обладают большей рабочей температурой до 150°С.
В эксплуатации диэлектрические материалы электроустановок
подвергаются воздействию ряда факторов, вредно отражающихся на
свойствах изоляции. Кроме электрической нагрузки, твердые диэлектрики часто испытывают разные виды механической нагрузки (вибрация, центробежные силы). Большие механические нагрузки опасны и
сами по себе, но особенно в сочетании с электрической нагрузкойдействием высокой напряженности поля. Такая комбинированная
нагрузка снижает электрическую прочность изоляции электроустановок.
Тепловое воздействие на диэлектрик является дополнительной
эксплуатационной нагрузкой, т.к. изоляционным материалам приходится работать при повышенных температурах, вызванных различными потерями в электроустановках и высокой температурой окружающей среды. Повышенная температура вызывает ухудшение электрических характеристик и размягчает (расплавляет) изоляцию электропроводки.
Тепловым старением называется воздействие повышенной температуры в течение длительного времени, вызывающее необратимые изменения свойств изоляции электроустановки. К числу отрицательных
тепловых воздействий на изоляцию относится «тепловой удар» - резкое
изменение температуры в электроустановке.
37
Электрическая изоляция воздушных линий электропередач напряжением выше 1кВ плохо переносит резкие температурные колебания,
которые вызывают ее растрескивание. Очень низкие температуры могут
вызвать хрупкость твердой изоляции, которая по условиям эксплуатации, должна оставаться гибкой.
Повышенная влажность окружающей среды оказывает на электрическую изоляцию вредное влияние, особенно для районов с субтропическим климатом, где влажность 98 - 100% при температуре воздуха 30°С
и выше. Влага, проникая в изоляцию воздушных линий электропередач,
ухудшает ее электрические свойства и может быть причиной пробоя.
Агрессивная окружающая среда оказывает разрушающее воздействие на электрическую изоляцию, особенно наличие аммиака и других
химически активных соединений. Изоляция воздушных линий электропередач из органических материалов подвержена световому старению,
когда под влиянием солнечной радиации, в особенности ультрафиолета,
происходит старение диэлектрика, приводящее к растрескиванию и
снижению эластичности электропроводки.
Рассматривая действие электрического поля в сочетании с влиянием внешних факторов на электропроводку, становится очевидным, почему изоляция является ненадежным элементом, вызывающим большое
число отказов электроустановок. Для предотвращения отказов воздушных линий электропередач напряжением выше 1кВ, своевременного выявления изоляции у которой сопротивление ниже нормы проводят испытания и контрольные измерения.
Сопротивление изоляции постоянному току является одним из основных показателей состояния изоляции, и его измерение является
неотъемлемой частью испытаний всех видов электрического оборудования и проводки. Нормы на значение сопротивления изоляции определяются Государственными стандартами (ГОСТ) и Правилами устройства
электроустановок (ПУЭ).
Сопротивление изоляции может измеряться с помощью специального прибора мегаомметра, который состоит из: источника - переносного генератора постоянного тока; измерительного прибора - магнитоэлектрического логометра и добавочных сопротивлений. Источник питания
мегаомметра может быть с ручным приводом и питанием от стационарной электрической сети, а также внешнего источника постоянного тока
или встраиваемых сухих элементов. Существуют мегомметры на номинальные напряжения 250, 500, 1000 и 2500В.
38
Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема мегаомметра
При измерениях следует иметь в виду, что при подключении мегомметра к электрооборудованию с пониженным сопротивлением изоляции напряжение на выходах мегомметра тоже понижается.
Нагрузочные характеристики мегаомметра МС-0,5 напряжение,
которого на выходах указано в процентах напряжения холостого хода
прибора, показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 – Нагрузочные характеристики мегаомметра МС-0,5
Все измерения следует проводить при установившемся положении
стрелки прибора. Примерно через 60сек после начала вращения ручки
генератора, когда сопротивление будет определяться только сквозными
токами утечки. Мегомметры дают правильные показания при вращении
39
ручки генератора со скоростью в пределах 90...150 оборотов в минуту и
развивают номинальное напряжение при 120об/мин.
Проверка исправности прибора. Перед использованием мегомметр
следует подвергнуть контрольной проверке, которая заключается в
определении показаний при разомкнутой и замкнутой измерительной
цепи прибора. В первом случае стрелка прибора должна находиться на
отметке шкалы «бесконечность», а во втором - на отметке «ноль».
Проведение измерений. При определении сопротивления изоляции
относительно земли зажим Л (линия) должен быть подключен к токоведущей части электроустановки, а зажим З (земля) - к ее корпусу. При
измерении сопротивления изоляции частей электроустановки не соединенных с землей, подключение зажимов Л и 3 может быть любым. При
определении больших величин сопротивлений изоляции электрооборудования, а также при проведении измерений в сырую погоду для исключения влияния поверхностных токов утечки подключается зажим Э
(экран). За сопротивление изоляции принимается значение «R60», зафиксированное по шкале мегомметра через 60сек после достижения
нормальной частоты вращения генератора.
После окончания измерений в электрических цепях, имеющих
большую емкость, необходимо снять накопленный заряд путем соединения этой емкости с землей через контур заземления лаборатории.
Метод последовательного вольтметра большим внутренним сопротивлением. Сопротивление изоляции может быть измерено также методом вольтметра, который основан на известном положении о том, что
напряжения на последовательно соединенных элементах распределяются пропорционально их сопротивлениям.
Схемы соединений при испытаниях электрической машины методом «вольтметра» приведены на рисунке 4.
а)
40
б)
Рисунок 4 – Принципиальные электрические схемы измерений сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом «вольтметра»:
а) – режим холостого хода установки; б) – режим измерения сопротивления изоляции
Лабораторный вольтметр следует выбирать с большим внутренним
сопротивлением (не менее 30.000...50.000Ом) и для точности производить измерения на пределах с одинаковым внутренним сопротивлением.
Напряжение холостого хода выставляется с помощью лабораторного автотрансформатора TV и равно номинальному напряжению исследуемого
асинхронного двигателя. Вначале измеряется напряжение холостого хода U1 , Затем цепь изоляции исследуемой асинхронного двигателя подсоединяется последовательно с вольтметром PV. Проводится измерение
напряжения U 2 , которое соответствует падению напряжения на изоляции разомкнутой обмотки асинхронного двигателя. По пропорциональной зависимости сопротивлений и падений напряжения на обмотках
асинхронного двигателя:
RV
U2

RÈÇ U1  U 2
(1)
вычисляется сопротивление изоляции:
RÈ Ç 
RV U1  U 2 
U

 RV  1  1 ,
U2
 U2

(2)
где RV - внутреннее сопротивление лабораторного вольтметра.
Измерение сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом вольтметра производится при номинальном напряжении машины,
выставляемом с помощью лабораторного автотрансформатора, мегомметрами напряжением:
 500В при питании обмоток номинальным напряжением до 500В;
 1000В - обмоток напряжением выше 500В;
 2500В - обмоток напряжением от 6000В и выше.
41
Измерение сопротивления изоляции обмоток асинхронного двигателя относительно корпуса и между обмотками производят поочередно
для каждой электрически независимой обмотки при соединении всех
прочих цепей с корпусом или лабораторной установкой. Измерение сопротивления изоляции вспомогательных измерительных цепей производится мегомметром напряжением 250В.
При измерении сопротивления изоляции следует учитывать температуру обмотки электрической машины. С повышением температуры
сопротивление изоляции обмоток асинхронного двигателя уменьшается.
Измерения выполняют при температуре, соответствующей номинальному режиму работы машины или приводят к температуре 75ОС,
учитывая температурный коэффициент K t , значения которого приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Температурные коэффициенты электрооборудования
Температура, 0С
Kt
Температура, 0С
Kt
10
9,4
50
2,4
20
6,7
60
1,7
30
4,7
70
1,2
40
3,4
75
1,0
Приведенное значение сопротивления изоляции
Rt  K t R75 ,
(3)
где Rt - сопротивление изоляции при температуре 750С, K t - температурный коэффициент, R75 - сопротивление изоляции при температуре
750С.
Допустимое значение сопротивления изоляции электрической машины, например, асинхронного двигателя, должно быть не менее
0,5МОм.
Сопротивление изоляции высоковольтного кабеля измеряется мегаомметром напряжением 2500В. Определяется сопротивление изоляции
каждой жилы кабеля относительно других жил и металлической оболоч42
ки. Значение сопротивления изоляции высоковольтного кабеля должно
быть не менее 0,5МОм.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторный стенд имеет в своем составе элементы схемы управления и измерения электрического сопротивления изоляции методом
последовательного включения вольтметра с высоким входным электрическим сопротивлением. К элементам схемы управления, контроля и измерения относятся:
 сетевой автоматический выключатель QFI;
 лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) TV;
 выпрямительный мост VD.
На лабораторном рабочем месте также имеются переносные ламповые вольтметры ВУ – 15 и ВК7 - 9 с высоким входным сопротивлением, а также комплект электрических машин, у которых разомкнуты рабочие обмотки.
Измерение электрического сопротивления изоляции жил производится на трех образцах кабеля мегомметром МС - 05.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
В процессе работы необходимо измерить сопротивление изоляции
обмоток электрической машины методом вольтметра и жил кабеля мегомметром.
Для измерения сопротивления изоляции обмоток машины необходимо:
1. Собрать схему лабораторной установки с исследуемого асинхронного
двигателя, приведенную на рисунке 3.а и представить ее на проверку
преподавателю. Проверить готовность к работе вольтметров ВУ - 15 и
ВК 7 - 9. Постоянное напряжение подается на клеммы «L» и «7+0» с
пределами напряжения 30 – 1000В. Установить предел измерения 300В.
Нажать кнопку « + U».
2. Подать питание на установку, автоматическим выключателем QFI,
при этом загорается лампочка HL1 «Сеть».
3. Включить тумблер SA10, при этом загорается лампочка HL3 «TV» автотрансформатора стенда.
4. Вращая рукоятку автотрансформатора, установить с помощью переносного вольтметра номинальное напряжение на обмотках электрической машины (задается преподавателем) и записать его значение (U1) в
таблицу 3.
43
5. Выключить установку с помощью выключателя QF1, собрать схему
испытаний с электрической машиной (рисунок 3,б) и представить ее
преподавателю.
6. Включить QF1 «Сеть», снять показания вольтметра и записать его
значение (U2) таблицу 3.
Таблица 3 – Измерения сопротивления изоляции асинхронного двигателя методом «мегаомметра»
№
Место
измерения
1
А-В
2
А-С
3
В-С
4
А-«L»
5
В-«L»
6
С-«L»
U1
U2
RИЗ =Rt
RИЗ =R75
МОм
МОм
7. Определить значение сопротивления изоляции обмоток RИЗ относительно корпуса электрической машины и между обмотками.
8. Привести значение сопротивления RÈÇ  Rt к температуре 750С, используя выражение (3). Данные занести в таблицу 3. Приборы ВУ – 15 и
ВК7 - 9 на всех пределах имеют входное сопротивление RV = 15МОм.
Температуру обмоток взять равной температуре 200С.
Для измерения сопротивления изоляции жил исследуемых кабелей
напряжением выше 1кВ необходимо:
1. Проверить исправность мегомметра МС – 0,5. К клеммам « - », с
охранным кольцом и экраном «Э» подключить соединительные шнуры в
соответствии с маркировкой. Корректором изолированного механизма
установить стрелку прибора на отметку « ∞ ». Установить переключатель пределов измерения в требуемое положение. При разомкнутых зажимах «RX» нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и установить ручкой
УСТАНОВКА « ∞ » стрелку прибора на отметку« ∞ ». Замкнуть зажимы
«RX», нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и установить ручкой УСТАНОВКА «0» стрелку прибора на отметку «0», нажать обе кнопки ИЗМЕРЕНИЕ 2 и установить стрелку прибора на отметку «0».
44
2. Подключить мегомметр МС – 0,5 к стенду исследуемых кабелей на
напряжение выше 1кВ и произвести измерения. Подключить жилы исследуемого кабеля 1 к зажимам «RX» нажать кнопку ИЗМЕРЕНИЕ 1 и
сделать отсчёт по шкале 1. Для повышения точности измерения нажать
обе кнопки ИЗМЕРЕНИЕ 2 и сделать отсчёт по шкале 2. Данные занести
в таблицу 4.
Таблица 4 – Сопротивления изоляции жил кабелей стенда
Измерение
А-В
А-С
В-С
А-0
В-0
С-0
RИЗ1
RИЗ2
RИЗ3
где RИЗ1, RИЗ2, RИЗ3 - сопротивление изоляции жил первого, второго и
третьего кабелей.
3. По результатам измерений сопротивления изоляции сделать выводы о
пригодности электрической машины и образцов кабелей к эксплуатации.
4. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1 Наименование и цель работы.
2 Фамилию студента и номер учебной группы.
3 Описание свойств линейных и пространственных полимеров применяемых в качестве электроизоляционных материалов электроустановок.
4 Методы определения электрических сопротивлений полярных и
неполярных материалов применяемых для изоляции изделий в
электроустановках.
5 Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.
6 Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.
7 Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные
при измерениях и вычислениях.
8 Обоснованные выводы по работе.
45
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. На какие основные типы делят полимеры?
2. Какие существуют различия между свойствами линейных и пространственных полимеров?
3. Какими способностями обладают линейные и пространственные
полимеры?
4. Чем определяется высокая гибкость линейных полимеров?
5. Охарактеризуйте структурные формы и физическое состояние полимеров применяемых в электроустановках.
6. Чем определяются электрические свойства полимеров?
7. Как строение молекулы диэлектрика влияет на электрические
свойства полимеров?
8. Почему стойкость к нагреву является проблемой для электроизоляционных материалов?
9. Какие полимеры относятся к неполярным материалам и почему?
10.
Почему полярные полимеры обладают пониженными электроизоляционными свойствами?
11.
Как тепловое воздействие влияет на электроизоляционные
свойства диэлектриков?
12.
Почему через 40-60сек после начала вращения ручки мегомметра, когда сопротивление изоляции будет определяться только
сквозным током утечки?
13.
Почему лабораторный вольтметр следует выбирать с большим внутренним сопротивлением?
14.
Какой порядок проверки работоспособности мегомметра?
15.
Почему и как после окончания измерений в электрических
цепях, имеющих большую емкость, необходимо снять накопленный заряд?
16.
В какой последовательности проводят измерения сопротивления изоляции электроустановок мегомметром?
46
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТВЕРДЫХ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить методы измерения электрической емкости диэлектриков,
тангенса угла диэлектрических потерь и определить параметры изоляционных материалов электроустановок напряжением до 1кВ.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1 Изучить виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах электроустановок напряжением до 1 кВ.
2 Изучить прямые и косвенные методы определения электрической
емкости различных диэлектриков в конденсаторах и тангенса угла
диэлектрических потерь изоляционных материалов.
3 Изучить лабораторную установку, приборы и приспособления для
определения электрической емкости диэлектриков и диэлектрических потерь изоляции электрооборудования напряжением до 1 кВ.
4 Выполнить измерения и расчеты электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок
напряжением до 1кВ.
5 Провести анализ полученных значений тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок напряжением до 1кВ и
сделать выводы по лабораторной работе.
6 Ответить на вопросы преподавателя, оформить и защитить отчет
по лабораторной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Любой электроизоляционный материал в рабочем режиме является
средой электрического поля электроустановок. Диэлектрик вместе с токопроводящими металлическими деталями, находящимися под разными
потенциалами, образуют конденсатор. В идеальной среде электрического поля с проводимостью, равной нулю, при приложении переменной
47
разности потенциалов к электродам и возникновении электрического
поля, через диэлектрик будет проходить только реактивный емкостный
ток, не вызывающий выделения тепла.
При переменном напряжении емкостный ток проходит в течение
всего времени воздействия напряжения, а при постоянном только вначале, пока есть электрическое поле и происходит зарядка конденсатора.
Через диэлектрик, электрическая проводимость которого не равна нулю,
кроме емкостного тока, будет протекать и активный ток. То есть в условиях эксплуатации в диэлектрике кроме обратимого поглощения энергии будет происходить и необратимое поглощение энергии.
Потери энергии в диэлектрике называют диэлектрическими потерями, которые по физической природе и особенностям подразделяют на
четыре основных вида: потери на электропроводность, релаксационные потери, ионизационные потери и резонансные потери.
Потери на электрическую проводимость. Данный вид потерь существует в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Если при этом другие виды потерь малы,
то частотные зависимости параметров Pa и tg получают, используя параллельную эквивалентную схему замещения диэлектрика. Потери на
электропроводимость зависят от частоты приложенного напряжения,
параметр tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Рассмотрим частотные зависимости параметров потерь Pa и тангенса угла
диэлектрических потерь tg (рисунок 1).
Рисунок 1 – Частотные (а) и температурные (б) зависимости потерь
на электрическую проводимость диэлектриков
48
Значение параметра tg при данной частоте может быть вычислено по формуле:
tg 
1,81010
,
f
(1)
если известно удельное сопротивление  , измеренное на постоянном
токе, и диэлектрическая проницаемость  , измеренная при данной частоте.
Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону:
 b
(2)
PaT  A exp    ,
 T
где A, b - постоянные величины для каждого электроизоляционного ма-
териала.
В зависимости от температуры параметр tg изменяется по тому
же закону, так как реактивная мощность исследуемого диэлектрика от
температуры материала практически не зависит.
Релаксационные потери. Этот вид потерь обусловлен активными
составляющими поляризационных токов в электроизоляционном материале электроустановок. Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации. Они проявляются в области высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения электрического поля.
Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с
ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.
Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах электроустановок со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его электрических свойств. Случайными примесями в диэлектрике
могут быть полупроводящие вещества, например, восстановленные окислы. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков не существует общей формулы расчета данного вида диэлектрических потерь.
Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном
состоянии.
Резонансные потери возможны в твердых электроизоляционных
материалах электроустановок, если частота вынужденных колебаний,
вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных
колебаний диэлектрика.
Объемные и поверхностные токи утечки в твердых электроизоляционных материалах обуславливают мощность диэлектрических потерь.
49
При определении диэлектрических потерь материала электроустановки
обычно учитывается только объемный ток утечки.
В исследуемой электрической схеме реальный конденсатор автоматики электроустановки с потерями заменен идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением. Учитывая, что емкостный ток:
I C  CU ,
(3)
то мощность диэлектрических потерь:
P  tg  C  C Ä U 2
(4)
или
P  tgCU 2 ,
(5)
где C - фактическая емкость диэлектрика;  - круговая частота сети.
Данная формула определяет количество энергии, рассеиваемой в
диэлектрике электрооборудования за единицу времени. Тангенс угла диэлектрических потерь имеет значение как электрическая характеристика
диэлектрического материала электроустановки. При эксплуатации
электроустановок часто пользуются понятием добротности изоляции Q ,
величиной обратной параметру tg . Данные параметры могут характеризовать как конкретный электроизоляционный материал, так и конструкцию электрической машины или аппарата в целом. Безразмерная
величина параметра tg для большинства жидких и твердых диэлектриков электроустановок колеблется в пределах от десятитысячных до десятых долей единицы.
Известно, что емкость любого конденсатора зависит только от его
геометрических размеров и свойств применяемых в нем диэлектрических материалов. Для определения величин емкости диэлектрика и параметра tg при эксплуатации электроустановок применяют различные
методы измерения.
Косвенный метод. Принципиальная электрическая схема с использованием амперметра, вольтметра и ваттметра для реализации данного
лабораторного метода показана на рисунке 2.
50
Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема для измерения
емкости и тангенса угла диэлектрических потерь
Искомые значения параметров вычисляются по формулам:
1  cos 2 
,
CX 
V
где
tg 
cos 
1  cos 
P
.
cos  
UI
2
(6)
,
(7)
(8)
Недостатки метода: большие аппаратурные затраты и погрешности
при расчетах параметров диэлектрика электроустановки.
Прямой метод. При эксплуатации электроустановок параметры
емкости СХ и tg часто определяют при помощи различных измерительных мостов переменного тока.
Электрическая схема универсального измерительного моста Е7-11
представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема универсального
измерительного моста Е7-11
51
Мост уравновешивается изменением величин емкостей С1 и С3.
Значения искомых параметров равны:
R1
R2
tg   R1C1 .
C X  C3
(9)
(10)
Формула для расчета параметра tg показывает, что шкалу переменного конденсатора С1 можно проградуировать непосредственно в
значениях тангенса угла диэлектрических потерь, что повышает точность измерений.
Вторая мостовая схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема измерительного
моста Р-571 с последовательной (а) и параллельной (б) RC – цепочками
В электрической схеме уравновешивание плеч моста выполняется
изменением переменных сопротивлений R2, R3 и R4. Шкалы измеряемых
сопротивлений проградуированы в значениях параметров С и tg , что
повышает точность измерений.
Схема универсального моста Е7-11 позволяет производить измерения на частотах 100Гц и 1000Гц, а мост Р-571 только на частоте 1000Гц.
Для этого во всех измерительных мостах имеются соответствующие
встроенные генераторы рабочей частоты.
52
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторный стенд имеет в своем составе элементы схемы управления, измерения и контроля. В состав установки входят: измерительные
мосты Е7-11, Р-571, образцы диэлектриков, измерительные шнуры. В
качестве опытных образцов диэлектриков выбраны стандартные конденсаторы как наиболее удобные элементы исследования диэлектрических
свойств электроизоляционных материалов, так как:
 электроды и диэлектрики изготовлены в заводских условиях и
надежно герметизированы;
 электрические свойства исследуемых материалов не зависят от состояния окружающей среды;
 тип и параметры диэлектрика можно определить по справочнику.
Конденсаторы с исследуемыми диэлектриками закреплены на специальных подставках из электроизоляционного материала и выходами
припаяны к медным проводникам для подключения измерительных
приборов стенда.
Примечание. Мост Р-571. Диапазоны измерений, пределы погрешностей,
области частот, характеристики измерения емкости C X и параметр
« tg » сведены в таблицу, которая расположена на левой стенке прибора.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
В процессе работы необходимо подготовить мосты Е7 - 11 и Р-571
к работе и измерить электрические емкости и углы диэлектрических потерь исследуемых конденсаторов.
Измерительный мост Е7 – 11. Подготовка к работе.
1. Проверить рабочее состояние прибора, для этого установить:

переключатель добротность «Q» или параметр « tg » в положение « tg »;

рукоятки переключателей «Пределы» и «Чувствительность» в
крайнее правое положение;

рукоятку переключателя « tg » в положение «0»;

переключатель «Множитель» в положение «1000»;
2. Измерить емкость исследуемого конденсатора СХ, уравновешивая
плечи моста изменением величин емкостей С1 и С3.
3. Измерить параметр « tg », для чего выполнить операции:
53

нажать кнопку «Выбор предела» и вращая влево ручку моста
«Пределы» до изменения знака напряжения в схеме, выбрать предел измерения параметра « tg »;

отпустить кнопку «Выбор предела»;

вращая рукоятки переключателей «Множитель», « tg » и
«Чувствительность» добиться минимального показания прибора;

вычислить значение параметра « tg » по шкалам моста;
4. Записать параметры исследуемого конденсатора в таблицу 1.
Таблица 1 – Параметры образцов конденсаторов автоматики электроустановок и их диэлектрических материалов
Тип
конденсатора
Па
Измераметр
ОтДи кость
по
ренное знаклонение
электрик маркировке,
чение
СХ, tg
емкости, %
мкФ
мкФ
Ем-
5. Определить типы конденсаторов и номинальные емкости по маркировке на корпусах элементов.
6. Определить диэлектрические материалы всех конденсаторов на специальных подставках. Основные справочные данные конденсаторов по
типам:
 К50-6, К50-12, К50-35 - с оксидными диэлектриками, алюминиевые, электролитические или с фольговыми электродами;
 К73П-2, К73-17 - пленочные полиэтилентерефталатные (ПЭТ) или
лавсановые, с металлизированными электродами;
 К40У2-9 - бумажные, фольговые;
 МБМ - металлобумажные, металлизированные;
 КОН - конденсаторная бумага.
7. Занести данные по исследуемым конденсаторам в таблицу 1.
8. Провести анализ электрических свойств диэлектрических материалов
образцов конденсаторов, используя данные таблицы 2.
54
Таблица 2 – Основные электрические характеристики диэлектрических
материалов образцов конденсаторов
Материал
Диэлектрическая Параметр
диэлектрика проницаемость
tg 103
при частоте
при
ча1кГц
стоте
1кГц
Оксид Al2O3
7 – 11
0,3 – 1,0
Оксид Ta2O3
14 – 50
0,5 – 1,0
ПЭТ
2,95 – 3,25 5 – 14
КОН
3-7
2,5 – 3,2
Удельное Электрическая
сопротиле- прочность
ние
мВ / м
Ом м
1013 - 1015
1012 - 1016
1014 - 1016
1013 - 1016
300 – 1000
100 – 600
140 – 180
360 - 690
9. Провести оценку данных полученных экспериментальным путем
(таблица 1) и справочных сведений (таблица 2).
10. Сделать выводы по работе. Оформить и защитить отчет.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Наименование и цель работы.
2. Фамилию студента и номер учебной группы.
3. Основные виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах электроустановок.
4. Прямые и косвенные методы определения электрической емкости и
тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов.
5. Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.
6. Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые
таблицы с результатами измерений и вычислений.
7. Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при
измерениях и вычислениях.
8. Обоснованные выводы по работе.
55
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какие могут быть виды потерь энергии в диэлектрике?
Чем вызваны потери на электропроводимость в диэлектрике?
Чем обусловлены релаксационные потери в диэлектрике?
Как миграционная поляризация влияет на электрические свойства диэлектриков?
5. При каких условиях возможны резонансные потери в твердых электроизоляционных материалах?
6. Что обуславливает мощность диэлектрических потерь в твердых
электроизоляционных материалах?
7. Какая зависимость определяет количество энергии, рассеиваемой в
диэлектрике за единицу времени?
8. Какие параметры характеризуют электрические характеристики
диэлектрического материала?
9. Какие достоинства косвенного метода измерения параметров диэлектрических материалов?
10.
Какие недостатки косвенного метода измерения параметров
диэлектрических материалов?
11.
Нарисуйте электрическую принципиальную схему для косвенного метода измерения параметров диэлектрических материалов?
12.
Какие достоинства прямого метода измерения параметров
диэлектрических материалов?
13.
Какие недостатки прямого метода измерения параметров диэлектрических материалов?
14.
Нарисуйте принципиальную электрическую схему для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь.
15.
Нарисуйте электрическую принципиальную схему для прямого метода измерения параметров диэлектрических материалов.
16.
Перечислите элементы принципиальной электрической схемы универсального измерительного моста Е7-11.
17.
Перечислите элементы принципиальной электрической схемы измерительного моста Р-571 с последовательной RC – цепочкой.
18.
Перечислите элементы принципиальной электрической схемы измерительного моста Р-571 с параллельной RC – цепочкой.
1.
2.
3.
4.
56
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить методы определения электрических и общих физических
свойств жидких диэлектриков и провести сокращенный анализ параметров трансформаторного масла.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
8. Изучить методы определения электрической прочности диэлектрических материалов электроустановок в различных агрегатных состояниях.
9. Изучить методы определения электрических и общих физических
свойств жидких диэлектриков.
10. Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрической прочности и других свойств жидких диэлектрических материалов электроустановок.
11. Выполнить измерения и расчеты основных параметров трансформаторного масла.
12. Провести анализ полученных данных и сделать выводы по лабораторной работе.
13. Ответить на вопросы по лабораторной работе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Жидкий диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять
свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала
в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.
Значение напряжения в момент пробоя, называют пробивным
напряжением U ПР , а напряженность электрического поля – электрической прочностью Е ПР . Если напряжение достигло значения U ПР , то
сквозной ток увеличивается, напряжение на электродах уменьшается,
сопротивление падает, а электропроводность диэлектрика возрастает.
Наступает электрический пробой материала (рисунок 1).
Значение напряжения U ПР зависит от толщины диэлектрика h и
конфигурации электродов и свойств самой изоляции. Поэтому пробивное
напряжение характеризует не столько свойства материала, сколько спо57
собность диэлектрика противостоять сильному электрическому полю.
Для сравнения свойств изоляторов более удобной характеристикой является электрическая прочность жидкого диэлектрика.
Рисунок 1 – Зависимость сквозного тока от напряжения, приложенного к жидкому диэлектрику
Минимальную напряженность однородного электрического поля
приводящую к пробою диэлектрика называют электрической прочностью:
Е ПР 
U ПР
.
h
(1)
Напряжение U ПР удобно выражать в киловольтах, толщину h - в
миллиметрах, а прочность Е ПР – в киловольтах на миллиметр. Если пробой произошел в газообразных и жидких диэлектриках, то благодаря подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. Пробой твердых диэлектриков
заканчивается разрушением изоляции ЭУ. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока утечки допустимым пределом. Определение прочности Е ПР производится стандартными
методами, что позволяет сравнивать электрические свойства диэлектриков. Пробой жидких диэлектриков возникает в результате электрических, тепловых и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля электроустановки.
Природа электрического пробоя жидких диэлектриков зависит от их
чистоты (примесей). Процесс пробоя начинается с инжекции в диэлектрик
электронов с катода и образования электронных лавин. Возникают подоб58
ные стримеру в газах образования, которые в результате процессов фотоионизации перемещаются от анода к катоду со скоростью 10 5 м/с. Пробой завершается, когда плазменный канал замыкает электроды диэлектрика. Энергию достаточную для ионизации электроны приобретают при
напряженности Е в 100 раз большей, чем газах.
Чистые жидкие диэлектрики получить очень трудно. Постоянными
примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические
частицы. Наличие примесей усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов потери электрической
прочности. В максимально очищенных от примесей жидких диэлектриках при высоких значениях напряженности электрического поля может
происходить вырывание электронов из металлических электродов изделия и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность
жидких диэлектриков по сравнению с газами обусловлена меньшей
длиной свободного пробега электронов.
Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества
примесей, которое приводит к образованию газового мостика между
электродами диэлектрика. Практика эксплуатации электроустановок
свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическую прочность жидких диэлектриков. Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсным напряжением.
Пробой материалов при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие
напряженности поля для жидких диэлектриков на больших частотах
оказываются ниже, чем на промышленной частоте.
Различают два типа масла: свежее (регенерированное сухое) и эксплуатационное. Нормы параметров различны для свежего масла и эксплуатационного. В электрооборудование, например, трансформаторы,
заливают регенерированное или свежее масло. В процессе эксплуатации
его качество ухудшается. Масло теряет свою прозрачность, темнеет, в
нем образуются механические примеси, взвешенный уголь, кислоты и
смолы. Происходит старение трансформаторного масла.
Для высоковольтных масляных трансформаторов, выключателей и
изоляторов применяется масло одной марки. Нормы электрической
прочности масел зависят от рабочего напряжения электроустановок. Для
конденсаторов и кабелей высокого напряжения применяются масла,
очищенные веществами, удаляющими примеси или адсорбентами. Такие
масла имеют улучшенные электрические свойства.
59
При повышении температуры даже хорошо очищенные масла
окисляются. При доступе воздуха заметное окисление происходит при
температуре 70°-80°С. Окислению масла способствуют некоторые металлы и сплавы, например: медь, латунь, свинец. Ускоренное старение
масла вызывает контакт с некоторыми твердыми диэлектриками, например, с лаковыми тканями, лаковыми пленками на обмотках. При длительном контакте с такими диэлектриками в масло проникают (диффундируют) содержащиеся в них органические кислоты. Для повышения
стабильности масел используют присадки-ингибиторы, замедляющие
процесс окисления диэлектриков.
Свойства трансформаторного масла должны соответствовать требованиям ГОСТ. Масло гигроскопично. Чаще всего вода в масле может
быть в виде мельчайших взвешенных частиц (эмульсии) и в виде избыточной воды (осадка), которая не смешивается с маслом и осаждается на
дно емкости. Примесь воды в масле даже в количестве 0,001% снижает
электрическую прочность масла.
Волокнистые примеси в еще большей степени снижают электрическую прочность жидких диэлектриков. Они более гигроскопичны, чем
масло, и впитывая в себя влагу, становятся полупроводящими частицами, образуя токопроводящие каналы. Взвешенный уголь служит хорошим проводником. Частицы угля оседают на изоляторах или на других
погруженных в масло деталях электрооборудования, создают проводящие слои, которые могут быть причиной перекрытия и коротких замыканий в электроустановках.
Масло, качество которого снизилось вследствие старения и загрязнения, подвергают очистке. Очищенное и находящееся в эксплуатации
масло подвергается лабораторным испытаниям. Существует два вида
определения свойств жидких диэлектриков: полный и сокращенный
анализ. Масло должно подвергаться лабораторным испытаниям в процессе эксплуатации электроустановок.
Сроки испытаний: не реже 1 раза в 5 лет для трансформаторов
мощностью выше 630кВА, работающих с термосифонными фильтрами
(сокращенный анализ) и не реже 1 раза в 2 года для трансформаторов,
работающих без термосифонных фильтров, после капитальных ремонтов трансформаторов. Для технически чистых масел пробивное напряжение в стандартном разряднике составляет 50 – 60кВ при частоте 50Гц
и примерно 120кВ при воздействии импульсного напряжения.
В маслах нормируют содержание примесей, особенно с наиболее
опасными размерами частиц от 2 до 10мкм, присутствующих в
наибольших количествах. Микрочастицы в маслах резко снижают срок
службы электрооборудования. Снижение температуры масла в пределах
60
+ 20 до -50С приводит к уменьшению электрической прочности, тогда
как дальнейшее снижение от – 5 до – 450С приводит к росту прочности.
Такие изменения электрической прочности объясняются различным агрегатным состоянием воды в масле, образованием кристаллов
льда и ростом вязкости трансформаторного масла.
При эксплуатации силовых трансформаторов большое влияние на
электрическую прочность масла оказывают примеси воды в эмульсионном
состоянии. Вода, в трансформаторном масле в виде эмульсии, образует
капли диаметром 10 6 м. В электрическом поле трансформатора сферические водяные включения втягиваются в пространство между электродами (фазами) и деформируются. При деформации водяных включений
образуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются, притягиваются друг к другу и, сливаясь, могут образовать между фазами «мостики» с малыми сопротивлениями, с последующим разрядом (пробоем).
Электрическая прочность масла уменьшается, что может привести к короткому замыканию между фазами трансформатора.
Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое
жидких диэлектриков импульсным напряжением. Пробой материалов
при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что приводит к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности электрического поля для жидких диэлектриков на высоких частотах оказываются ниже,
чем на промышленной частоте.
С увеличением энергии электрических разрядов глубина химического разложения масла возрастает, уменьшается интенсивность газопоглощения, увеличивается скорость выделения газов и образования углеродистых остатков (взвешенного углерода). При большой энергии электрических разрядов масло становится газвыделяющим (искра, пробой,
электрическая дуга). Его дальнейшее разложение происходит с образованием горючих газов, низкокипящих жидких углеводородов, углеродистых частиц.
При отсутствии контакта масла с воздухом при температурах до
0
95 С (окисления масла при этом не происходит) без воздействия электрического поля металлические части трансформатора практически не
окисляются и не влияют на параметры масла.
В пропитанных маслом электроустановках рассчитанных на длительный срок службы без замены диэлектрика, все медные токоведущие
части лудят, цинкуют или никелируют.
Для продления срока службы электроизоляционных масел, помимо
применения присадок, замедляющих старение масла, используют различные методы, обеспечивающих защиту масла от непосредственного
61
контакта с воздухом и его влагой (герметизация оборудования). Герметизацию используют в трансформаторах. При эксплуатации кабелей и
конденсаторов замены и регенерации масла не производят.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторный стенд состоит из электрооборудования напряжением выше 1кВ и элементов схем управления, измерения и набора приспособлений. К элементам стенда относятся:
 высоковольтный аппарат для испытания изоляции типа АИИ-70
(рисунок 3);
 мерная емкость (сосуд) аппарата АИИ-70 для испытания жидких
диэлектриков (рисунок 4);
 приспособление для определения наличия взвешенного угля;
 наборы емкостей с образцами трансформаторного масла.
Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема высоковольтный
аппарат для испытания изоляции типа АИИ-70
62
Аппарат для испытания изоляции для определения напряжения
пробоя трансформаторного масла и испытания изоляции кабелей.
Наибольшее напряжение при испытаниях на переменном токе – 50кВ и
70кВ на постоянном. Мощность высоковольтного трансформатора TV1
составляет 2кВА.
Мерная емкость (сосуд) для трансформаторного масла показана на
рисунке 3.
Рисунок 3 - Емкость аппарата АИИ-70 для испытания жидких диэлектриков, где 1 – латунные шлифованные полусферические электроды
диаметром 25мм с креплениями; 2 – масло объемом 100 – 200см3
Работа лабораторной установки с устройством АИИ-70. Аппарат
АИИ-70 находится в лаборатории отдельно за специальным защитным
ограждением, снабжен пультом управления и заземляющей штангой.
Напряжение от сети (контакты Х1 – Х2) через блокировочные контакты
двери ограждения SF2 и предохранители F1, F2 поступает на вход регулировочного автотрансформатора TV2. Регулируемое напряжение от
TV2 через автоматический выключатель SF1 подается на первичную
обмотку высоковольтного трансформатора TV1 и конденсаторы C1, C2.
Переключатель S1 служит для установки защиты автоматического
выключателя SF1 в положение «чувствительная» или «грубая». Высокое
напряжение от трансформатора TV1 через ограничительное сопротивление R может быть использовано как для испытания переменным напряжением твердых диэлектриков, так и для определения пробивного
напряжения жидких диэлектриков.
63
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
На первом этапе лабораторных испытаний необходимо определить
отсутствие в пробах трансформаторного масла:
 взвешенного углерода;
 избыточной воды;
 механических примесей;
 замутненных участков.
1. Содержание взвешенного углерода. Испытания проводятся в специальном приспособлении, представляющем собой стеклянную банку. К
одной стенке банки с внешней стороны прикрепляется лист кальки с
нанесенными черной тушью тремя линиями различной толщины: 1мм;
0,5мм; 0,1мм. Банка с маслом помещается в фанерный ящик, в котором
имеется подсветка и смотровая щель.
Наличие взвешенного угля определяют просвечиванием слоя масла
толщиной 10см электрической лампой. Лампу устанавливают в вертикальном выступе ящика. Линии на листе просматривают сквозь щель
ящика. Количество взвешенного углерода в масле оценивается по следующим трем группам:
 первая группа – видны три линии (0,1; 0,5 и 1,0мм) четко (угля в
масле нет);
 вторая группа - вторая линия (0,5мм) видна нечетко (масло нужно
фильтровать);
 третья группа - видна только одна линия (1мм) масло нужно заменить.
2. Наличие избыточной воды. Присутствие воды определяют по мути,
заметной при рассмотрении на свет масла, налитого в тонкую стеклянную пробирку. Капельки воды появляются также на дне сосуда после
отстаивания масла в течение 15...20мин. Если вода содержится в масле в
виде эмульсии, то ее можно обнаружить следующим образом. Залить
масло в чистую пробирку и нагреть или опустить в него нагретый металлический прутик. Появление характерного потрескивания указывает
на присутствие влаги.
3. Прозрачность и наличие механических примесей. Данные общефизические свойства трансформаторного масла определяют по мути и
осадкам на дне, которые видны при рассмотрении на свет масла, налитого в тонкую стеклянную пробирку
На втором этапе лабораторных испытаний определяют электрическую прочность трансформаторного масла.
64
1. Методика определения электрической прочности масла стандартизирована. При этом необходимо выполнять следующие условия:
 использовать латунные или медные шлифованные полусферические электроды диаметром 2,5мм;
 зазор между электродами устанавливать равным 2,5 + 0,05мм;
 испытуемое масло брать в объеме 100-200см ;
 напряжение поднимать со скоростью 1-1,5кВ в секунду;
 произвести 6 пробоев, первый из которых не учитывать;
 пробой устанавливать по возникновению непрерывной электрической дуги между электродами.
2. Подготовка к испытаниям. Перед началом опыта необходимо:
 вынуть специальный сосуд из аппарата АИИ 70 и проверить наличие зазора между электродами (2,5мм);
 промыть сосуд чистым трансформаторным маслом;
 залить в емкость масло в таком количестве, чтобы электроды были
покрыты слоем масла не менее чем на 15мм;
 выдержать залитое в сосуде масло в течение 10мин для того, чтобы
пузырьки воздуха всплыли на поверхность;
 поместить сосуд с маслом в аппарат АИИ-70 и закрыть крышку;
 проверить положение ручки регулировочного автотрансформатора
TV1 (крайнее левое положение);
 установить переключатель SA1 защиты аппарата в положение
«чувствительная».
3. Проведение испытаний. Проверка электрической прочности проводятся в следующей последовательности:
 подключить аппарат АИИ-70 к сети (загорится зеленая лампа HLR
«сеть»);
 вращая ручку регулировочного трансформатора вправо, повысить
напряжение со скоростью 1кВ в секунду до наступления пробоя,
непрерывно наблюдая за показаниями вольтметра;
 снять показание вольтметра предшествующее пробою и записать
его в таблицу 1;
 установить ручку регулировочного автотрансформатора аппарата
TV1 в исходное положение (крайнее левое положение);
 отключить аппарат от сети и открыть крышку;
 удалить уголь, образовавшийся между электродами, чистой стеклянной палочкой, которая хранится в масле;
 испытания масла провести 6 раз с интервалом 5-10 минут.
65
Таблица 1 – Параметры и результаты испытаний шести проб
трансформаторного масла
Показатели
Результаты
Unp2
Unp3
Unp4
Unp5
Unp6
Unp cp
Enp cp
Прозрачность
Механические примеси
Взвешенный углерод
Избыточная влага
Примечания
1. По методике испытаний показатель U ПР1 в таблицу не заносится.
2. Показатель «прозрачность» - оценивается по критерию «норма» или
«не норма», а остальные – «присутствуют» или «отсутствуют» в пробе.
4. Провести оценку данных полученных экспериментальным путем (таблица 1) и справочных сведений.
5. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
1. Наименование и цель работы.
2. Фамилию студента и номер учебной группы.
3. Методы определения электрической прочности диэлектрических материалов электроустановок в различных агрегатных состояниях.
4. Методы определения электрических и общих физических свойств
жидких диэлектриков.
66
5. Описание лабораторной установки и приспособлений для определения
электрической прочности и других свойств жидких диэлектрических материалов электроустановок.
6. Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые
таблицы с результатами измерений и вычислений.
7. Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при
измерениях и вычислениях.
8. Обоснованные выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие параметры характеризуют явление пробоя диэлектрического
материала?
2. Почему для сравнения свойств различных диэлектрических материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность?
3. Какой формулой и размерностью входящих в нее параметров характеризуется электрическая прочность диэлектриков?
4. Какая разница между пробоем диэлектрика находящегося в газообразном, жидком или твердом состоянии?
5. Почему чистые жидкие диэлектрики получить очень трудно?
6. Чем объясняется пробой технически чистых жидких диэлектриков?
7. Чем обусловлен пробой диэлектрических материалов при повышенных частотах?
8. Что происходит с регенерированным (свежим) трансформаторным
маслом при эксплуатации электроустановки?
9. Что происходит со свежим трансформаторным маслом при эксплуатации электроустановки, если к нему есть доступ воздуха?
10. К каким явлениям приводит снижение или повышение температуры
трансформаторного масла?
11. Что происходит с увеличением энергии электрических разрядов в
трансформаторном масле?
12. Какие методы защиты используют для продления срока службы
электроизоляционных масел?
67
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СРЕДСТВ
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Цель работы – изучение методов испытаний электрозащитных
средств и схем установки для проведения испытаний.
1. Основные понятия и количественные характеристики
Электрозащитными средствами называют средства, служащие
для защиты людей, работающих в электроустановках, от поражения
электрическим током, от воздействия электрической дуги и электромагнитного поля. Защитные средства условно делят на:
 основные - изоляция которых длительно выдерживает рабочее
напряжение электроустановок и которые позволяют прикасаться к
токоведущим частям, находящимся под напряжением;
 дополнительные - которые сами по себе не могут при данном
напряжении обеспечить защиту от поражения током, а применяются совместно с основными электрозащитными средствами.
К электрозащитным средствам относятся:
 изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные
клещи, указатели высокого и низкого напряжения;
 изолирующие устройства и приспособления для ремонтных работ
под напряжением выше 1кВ;
 слесарно-монтажный инструмент с изолирующими ручками для
работы в электроустановках напряжением до 1кВ;
 диэлектрические перчатки, боты, галоши, коврики, изолирующие
накладки и подставки;
 индивидуальные экранирующие комплекты;
 переносные заземления;
 оградительные устройства и диэлектрические колпаки;
 плакаты и знаки безопасности.
К основным электрозащитным средствам в электроустановках
напряжением выше 1кВ относят:
 изолирующие штанги;
 изолирующие и измерительные клещи;
 указатели напряжения;
 изолирующие устройства и приспособления для работ на воздушных линиях с непосредственным прикосновением работника к токоведущим частям.
68
К дополнительным электрозащитным средствам в установках напряжением выше 1кВ относят:
 диэлектрические перчатки, боты и коврики;
 индивидуальные экранирующие комплекты;
 изолирующие подставки и накладки;
 диэлектрические колпаки;
 переносные заземления;
 оградительные устройства;
 плакаты и знаки безопасности.
При приемке в эксплуатацию и в процессе эксплуатации электрозащитные средства подвергают типовым эксплуатационным испытаниям, одним из которых являются электрические испытания. Все испытания проводят переменным током 50Гц при 15-200С. Скорость подъема
напряжения до 1/3 от испытательного может быть произвольной, дальнейшее повышение напряжения должно быть плавным и быстрым, позволяющим при напряжении более 3/4 испытательного вести отсчет показаний прибора.
После достижения требуемого значения без выдержки или после
выдержки 60сек (в зависимости от конкретного защитного средства)
напряжение должно быть плавно снижено до нуля или при значении,
равном или менее 1/3 испытательного, отключено. На выдержавшие испытания средства защиты, кроме инструмента с изолирующими рукоятками и указателей напряжения до 1кВ, ставится специальный штамп.
Проведенные испытания оформляются протоколом по следующей
форме.
(наименование лаборатории)
ПРОТОКОЛ №
от ___________ 201 _ г.
(наименование средств защиты)
в количестве ___________ шт. принадлежащие ________________
испытаны напряжением переменного тока частотой 50Гц, постоянного тока (нужное подчеркнуть):
изолирующие части ___ кВ в течение __ мин;
рабочие части __ кВ в течение ___ мин;
ток, протекающий через изделие, ___ мА.
Отдельные требования, выводы: ________________________
Дата следующего испытания: ________
Испытания провел: __________________
Руководитель работ ________________
69
Основные изолирующие средства защиты, предназначенные для
установок выше 1кВ до 110кВ, испытывают напряжением, равным трехкратному линейному, но не ниже 40кВ, а предназначенные для установок напряжением 110кВ и выше - трехкратному фазному. Дополнительные средства защиты испытывают напряжением, не зависящим от
напряжения установки, в которой они должны применяться. Токи, протекающие через изделие, нормируются для указателей напряжения, изделий из резины и изолирующих средств защиты для работы под напряжением. Периодичность испытаний устанавливается нормами испытаний защитных средств; данные по некоторым защитным средствам приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Нормы испытания электрозащитных средств из диэлектрических материалов
Средства
защиты
Напряжение электроустановок, кВ
Резиновые
Все
диэлектрические перчат- напряжения
ки
Резиновые
диэлектричеТо же
ские боты
Резиновые
диэлектрические ковры
-
Испытательное
напряжение, кВ
ПроТок через
долизделие,
жительне
ность,
более,
мин
мА
Периодичность
испытаний
6
1
6.0
1 раз в 6
месяцев
15
1
7.5
1 раз в 36
месяцев
Осмотр
-
-
1 раз в 6
месяцев
2. Описание экспериментальной установки
В лабораторной работе проводятся испытания защитных средств,
изготовленных из диэлектрической резины. Резина относится к группе
материалов, называемых эластомерами, и представляет собой эластичный материал, получаемый путем вулканизации каучука, являющегося
органическим полимером. В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, при вулканизации получают резину различной эластичности – от мягкой, очень эластичной, до твердой резины – эбонита. В зависимости от состава и технологии изготовления резины силь70
но меняются и ее характеристики. Удельное объемное сопротивление
резины меняется от 1⋅1012 Омм до 1⋅1013 Омм, tgδ – от 0.02 до 0.1 (при
50Гц), диэлектрическая проницаемость – от 3 до 7. Электрическая
прочность лежит в пределах от 20кВ/мм до 45кВ/мм.
Резина обладает низкой нагревостойкостью, малой стойкостью к
действию нефтяных масел, от которых резина набухает, и малой стойкостью к действию света, особенно ультрафиолетового, от которого
резина быстро стареет. Резко ускоряет старение резины озон, образующийся при ионизации воздушных включений или в окружающем
воздухе. Хотя резина практически водо- и газонепроницаема, ее электрические свойства ухудшаются под действием влаги.
Периодические электрические испытания защитных средств на
основе резины решают задачу выявления механических дефектов (поры, микротрещины, проколы) и старения резиновой изоляции. В работе используется испытательная установка типа УИ-1М, предназначенная для испытаний диэлектрических перчаток, бот, галош и инструмента с изоляционными рукоятками. Установка позволяет изменять
испытательное напряжение в пределах от 0 до 15кВ с измерением тока
до 30мА. Упрощенная схема установки приведена на рисунке 1.
Питание на установку подается через автоматический выключатель S1 и через контактор S2 поступает на автотрансформаторы Т1 и
Т2. Наличие двух автотрансформаторов дает возможность более плавной регулировки напряжения. Через резистор R1, ограничивающий
ток при пробое испытуемого изделия, напряжение подается на высоковольтный трансформатор Т3. Миллиамперметр в высоковольтной
части цепи позволяет при нажатии кнопки S3 или S4 контролировать
ток через изделия, а разрядники F1 и F2 защищают цепь при коммутации кнопок. Катушка L1 ограничивает броски тока при пробое изделия
и защищает миллиамперметр от перегрузки. В установке имеется реле
времени, включающее световой сигнал через одну минуту после достижения испытательного напряжения.
При испытании диэлектрические перчатки, боты и галоши погружают в ванну с водой, имеющей температуру 15-350С, которая заливается также внутрь этих изделий. Боты и галоши при этом опускаются на
специальную сетку, устанавливаемую внутри ванны, перчатки одеваются
на цилиндры испытательного кронштейна, предварительно заполненные
водой, которая при повороте цилиндров затекает в перчатки. Уровень
воды как снаружи, так и внутри изделий должен быть на 50мм ниже
верхнего края перчаток, отворотов бот и на 20мм ниже бортов галош.
Выступающие края испытуемых изделий должны быть сухими.
71
Рисунок 1 – Упрощенная электрическая схема испытательной установки
типа УИ-1М
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Работа на установке УИ-1М производится в следующем порядке.
Проверить заземление установки и заполнение ванны водой.
Испытываемые защитные средства после наружного осмотра и проверки отсутствия видимых повреждений установить в ванну с испытательным электродом.
Все дальнейшие переключения на установке проводятся одним человеком, который должен находиться на диэлектрическом коврике и
надеть диэлектрические перчатки. Работник не должен касаться заземленных частей неизолированными частями тела. Остальные члены бригады наблюдают за работой и за показаниями приборов.
Опустить испытательный кронштейн и закрыть крышку. После получения разрешения на включение подключить установку к сети
напряжением 220В. Проверить исходное положение установки и
установить в нулевое положение ручки регулировки напряжения.
Перевести заземляющий разъединитель в положение ОТКЛ. Включить автоматический выключатель. Громко объявив: «Включаю высокое напряжение!» – нажать кнопку ВКЛЮЧЕНИЕ УСТАНОВКИ.
При этом должна загореться надпись «Высокое напряжение».
Плавно поднять напряжение до нужного значения, повернув сначала
ручку ГРУБО, а затем ручку ТОЧНО.
72
7. Через минуту после достижения испытательного напряжения плавно
снизить испытательное напряжение до нуля. Обе ручки ГРУБО и
ТОЧНО установить в нулевое положение.
8. Выключить выключатель, рукоятку заземляющего разъединителя
перевести до упора в положение ЗАЗЕМЛЕНИЕ ВКЛ.
9. Открыть крышку и снять изделие (диэлектрическую перчатку).
Если в процессе испытаний возникает пробой, перекрытие и
разряды по поверхности, испытание прекращается и испытываемое изделие бракуется. Тот же вывод делается и при превышении током нормы
или при резких колебаниях стрелки миллиамперметра.
3. Задание на проведение измерений
3.1. При подготовке к лабораторной работе следует произвести оценочные расчеты тока, протекающего через руку человека, одетую в диэлектрическую перчатку, при приложении максимально допустимого постоянного и переменного напряжений, и ответить на вопросы.
Достаточно ли параметров резины для обеспечения тока через руку человека не более 1мА?
Имеет ли значение величина tgδ резины для изготовления диэлектрических перчаток?
Правильно ли выбраны величины максимально допустимого напряжения
на перчатке и испытательного напряжения, исходя из величины электрической прочности резины?
3.2. Произвести электрические испытания предложенных перчаток и бот.
Составить протоколы испытаний. В отчете по работе представить схему
установки и протоколы испытаний.
5. Контрольные вопросы
1. Назовите цели и задачи работы.
2. Какие средства называют электрозащитными, и на какие группы
они подразделяются?
3. Для чего и каким образом производятся электрические испытания
защитных средств?
4. Назовите основные электротехнические характеристики резиновой
изоляции и их ориентировочные значения.
5. Объясните схему, принцип действия, устройство используемой
установки.
6. Объясните порядок проведения испытаний и основные правила
безопасности.
73
ТЕСТЫ
1. В чем основное отличие электротехнических материалов от конструкционных материалов?
а) в заданных магнитных и электрических свойствах по отношению к электромагнитному полю;
б) в определенных магнитных и тепловых свойствах по отношению к электротехническому и магнитному полям;
в) в заданных электрических и химических свойствах по отношению к
электромагнитному полю;
г) в определенных свойствах по отношению к электромагнитному полю.
2. Что необходимо знать о конкретном электротехническом материале,
чтобы правильно его использовать в сельском хозяйстве?
а) основные свойства материалов из предложенной технической литературы;
б) показатели свойств материалов из действующей специальной литературы;
в) все функциональные свойства материалов из действующей специальной
литературы;
г) определенный уровень показателей свойств материалов гарантированный изготовителем и его рекламой.
3. Какая из последовательностей электротехнических материалов
перечислена правильно (в соответствии с величиной их удельной проводимости)?
а) криопроводники, сверхпроводники, металлы, электролиты, полупроводники;
б) электролиты, полупроводники, металлы, криопроводники, сверхпроводники;
в) сверхпроводники, криопроводники, металлы, электролиты, полупроводники;
г) полупроводники, металлы, электролиты, сверхпроводники, криопроводники.
4. Когда электротехнический материал имеет кристаллическую структуру вещества?
а) если атомы или ионы расположены регулярно в узлах кристаллической
решетки;
б) если атомы, ионы или молекулы расположены закономерно в узлах
кристаллической решетки;
в) если элементарные частицы материала расположены регулярно в узлах
кристаллической решетки;
74
г) если атомы или молекулы расположены закономерно в узлах кристаллической решетки.
5. В качестве каких электротехнических материалов используются в
электрооборудовании пластической массы?
а) электроизоляционных, конструкционных, магнитных;
б) электроизоляционных, диэлектрических, магнитных;
в) диэлектрических, конструкционных, магнитных;
г) электроизоляционных, диэлектрических, конструкционных.
6. Какие свойства проводниковых материалов вы знаете?
а) низкое удельное сопротивление;
б) высокая удельная электропроводность;
в) способность к намагничиванию;
г) способность изолировать токоведущие части электротехнических изделий.
7. Как происходит перенос электрических зарядов в металлических
проводах?
а) электропроводность металлов определяется возможностью движения
свободных зарядов под действием внешнего электрического поля;
б) существенную роль в этом процессе играет подвижность электронов;
в) электроны совершают хаотическое тепловое движение;
г) свободные заряды движутся в противоположенную сторону от внешнего
электрического поля.
8.Что такое биметаллический проводник?
а) сочетание проводникового и изоляционного материала;
б) керамический материал;
в) комбинирование двух металлов с различным удельным сопротивлением;
г) сочетание дешевого доступного металла (сталь, алюминий) со слоем
более дорогого (медь).
9. Электроизоляционные материалы характеризуются высоким значением
а) удельной проводимости ;
б) удельного сопротивления ;
в) параметра tg;
г) магнитной проницаемости .
10. Единица удельного электрического сопротивления в системе СИ:
а) Ом·мм2/м;
б) См·м;
в) Ом;
г) Ом/м.
75
11. Требования, предъявляемые к материалам для реостатов и резисторов:
а) большое удельное сопротивление;
б) хорошая электропроводность;
в) высокие изоляционные способности;
г) высокая способность к перемагничиванию.
12. Назовите материалы с большим значением электрического сопротивления:
а) алюминий;
б) германий;
в) константан;
г) гетинакс;
13. Параметр угла тангенса дельта (tg) определяет:
а) магнитные свойства материала;
б) диэлектрическую проницаемость;
в) диэлектрические потери;
г) электрическую прочность.
14. Основное отличие полупроводников от проводников:
а) у полупроводников более низкая удельная электрическая проводимость;
б) у полупроводников более низкое удельное электрическое сопротивление;
в) полупроводники обладают большей концентрацией свободных электронов, чем проводники;
г) полупроводники обладает меньшей концентрацией свободных электронов, чем проводники.
15. Марка припоя проводникового материала:
а) ПР-500;
б) ПМП;
в) ФК;
г) ПОС-40.
16. Значение сопротивления изоляции обмоток электродвигателей и
жил кабеля:
а) 1 МОм и 2 МОм;
б) 5 МОм;
в) ≥ 0,5 МОм;
г) ≤0,5 МОм.
17. Назовите важнейшие свойства диэлектрических материалов:
а) высокое удельное электрическое сопротивление;
б) способность материала проводить ток;
в) способность к намагничиванию;
г) наличие р-n-перехода.
76
18. Что такое пробой диэлектрика?
а) внезапная потеря электроизоляционной способности материала;
б) резкое возрастание удельного электрического сопротивления материала;
в) количество теплоты, выделяемое в диэлектрике при прохождении через
него электрического тока;
г) равновесное состояние материала, при котором количество теплоты,
выделяемое вследствие диэлектрических потерь равно количеству теплоты,
отводимому в окружающую среду.
19. Как влияет влажность на свойства электроизоляционных материалов?
а) проникая в поры электроизоляционных материалов, вода улучшает диэлектрические свойства;
б) в результате увлажнения уменьшается коэффициент диэлектрических
потерь;
в) под воздействием влажности электрические свойства большинства электроизоляционных материалов ухудшаются;
г) в воде легко диссоциируют молекулы других веществ, что повышает
электрическую проводимость материала.
20. Какими приборами проводится измерение сопротивления изоляции
электрооборудования?
а) вольтметром;
б) мегаомметром
в) амперметром;
г) ваттметром.
21. Какими приборами можно измерить тангенс угла диэлектрических
потерь (-tg)?
а) вольтметр;
б) мост Е-7-11;
в) амперметр;
г) одновременно используя амперметр, вольтметр, ваттметр.
22. Показатели качества трансформаторного масла, входящие в сокращенный анализ:
а) электропроводность;
б) параметр tg;
в) пробивное напряжение;
г) удельное электрическое сопротивление.
23. Назначение жидких диэлектриков:
а) препятствовать окислению проводников;
б) отводить тепло;
в) изолировать токоведущие части;
г) сохранять тепло.
77
24. Мощность диэлектрических потерь материала это:
а) потери на перемагничивание;
б) энергия, образующаяся в диэлектрике при прохождении через него электрического тока;
в) потери на электропроводность;
г) потери на гистерезис.
25. Основные характеристики магнитных материалов:
а) коэрцитивная сила;
б) относительная диэлектрическая проницаемость;
в) параметр tg;
г) остаточная индукция.
26. Магнитные потери это:
а) потери на вихревые токи;
б) потери на электропроводность;
в) превращение части энергии магнитного поля в теплоту при перемагничивание материала;
г) активная мощность Р=U2∙Ic∙ tg.
27. Что характеризует магнитомягкие материалы:
а) способность легко намагничиваться и размагничиваться;
б) широкая петля гистерезиса;
в) узкая петля гистерезиса;
г) высокие значения удельных магнитных потерь.
28. Электротехническая сталь это:
а) сплав стали с кремнием;
б) сплав стали с никелем;
в) чистое железо;
г) сплав железа с кобальтом.
29. Почему сердечники трансформаторов изготавливают из тонколистовой электротехнической стали:
а) с целью сокращения потерь на перемагничивание;
б) наиболее технологичный способ сборки;
в) с целью ухудшения отвода тепла от магнитопровода;
г) для уменьшения магнитной индукции.
30. Каким проводом выполняются воздушные линии электропередачи:
а) ПЭЛ;
б) АППВ;
в) АС;
г) ПЭТВ.
78
ИТОГОВАЯ ТАБЛИЦА ПО ТЕСТАМ
Вопросы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Ответы
А, Г
А, Б
В
Б, В
Г
А, Б
А, Б
В, Г
Б
А
А
В
В
А, Г
Г
Вопросы
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
79
Ответы
В
А
А
В, Г
А, Б
Б, Г
В
Б, В
Б
А, Г
В
А, В
А
А
А, В
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Пасынков В.В., Сорокин В.С.Материалы электронной техники:
Учебник.- СПб.: Изд-во «Лань», 2003. – 308с.
2.
Электротехнические и конструкционные материалы / В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, В.М. Матюнин и др. Под ред. В.А. Филикова. – М.:
Высшая школа, 2000. – 280с.
3.
Конструкционные и электротехнические материалы / В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др. Под ред. В.А. Филикова. – М.:
Высшая школа, 1990. – 296с.
4.
Справочник по электротехническим материалам / Ю.В. Корицкий,
В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – М.: Энергоатомиздат Т.1, 1986. – 308с.
Т.2 , 1987. – 296с.
5.
Электротехнические материалы: учебное пособие / Е.Е.Привалов,
А.В.Гальвас, Л.И.Тимошенко, С.В.Аникуев. – Ставрополь: АГРУС , 2011, 192с.
6.
Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: учебное пособие. – Ставрополь: АГРУС , 2012, - 196с.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ РЕСУРСОВ СЕТИ ИНТЕРНЕТ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
http://www.elec.ru
http://www.forca.ru
http://www.electrik.ru
http://www.electriky.ru
http://www.electrichelp.ru
http://www.electricalschool.ru
http://www.electrolibrary.ru
80
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 3
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО .................................
ПРАКТИКУМА ......................................................................................... 3
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ .................................................................................5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ............................................................ 8
ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО .....................8
СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВЫХ .......8
МАТЕРИАЛОВ ......................................................................................... 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 .......................................................... 19
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ...........19
ЭЛЕМЕНТАМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ .................19
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ........................................................................19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 .......................................................... 32
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ..........32
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ..32
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 .......................................................... 47
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТВЕРДЫХ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ ..................................47
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 .......................................................... 57
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ..........57
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ........................................................... 68
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СРЕДСТВ
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ........................................................................68
ТЕСТЫ ......................................................................................................74
ИТОГОВАЯ ТАБЛИЦА ПО ТЕСТАМ .................................................79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................80
81