Лабораторная работа 3: Лабараторная работа

Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ Цель работы — изучение стандартных методов определения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ твердых диэлектриков на токе переменной частоты и определение ε и tgδ различных материалов в зависимости от различных условий окружающей среды. Домашнее задание 1. Изучить физические основы и характерные черты явлений поляризации и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках. 2. Ознакомиться со стандартными методами определения дэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 50 Гц. 3. Влияние окружающей среды на процессы поляризации и диэлектрических потерь. 4. Изучить порядок проведения лабораторной работы, обработка результатов испытаний и оформление отчета о проделанной работе. Общие положения Относительная диэлектрическая проницаемость является одной из важнейших характеристик электроизоляционных материалов. Ее величина определяет значение емкости образца материала, либо электроизоляционной конструкции (изолятора, конденсатора, электрического кабеля и др.). Определив относительную диэлектрическую проницаемость и умножив ее на диэлектрическую постоянную , получаем абсолютную диэлектрическую проницаемость материала . Диэлектрическая проницаемость является количественной мерой интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектрике. Измерив, емкость образца и зная его геометрические размеры, вычисляют диэлектрическую проницаемость исследуемого материала по следующей формуле: (1) где – емкость образца в Фарадах; – толщина образца в м; – площадь измерительного (центрального) электрода в м2 . 20 Под диэлектрическими потерями понимают обычно мощность, рассеиваемую в электрической изоляции, находящейся в переменном электрическом поле. Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способны к такому рассеянию. Только идеальный диэлектрик может обеспечить электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет проходить чисто реактивный, емкостной ток. В реальном изоляционном материале ток наряду с емкостной составляющей , будет иметь и активную составляющую которая определяет величину диэлектрических потерь: . Поэтому вектор тока опережает вектор напряжения на угол (рис. 1). Угол , дополняющий до 90, называется углом диэлектрических потерь, потому что чем больше этот угол, тем больше составляющая , а следовательно, и диэлектрические потери . Рис. 1. Векторная диаграмма для параллельной схемы замещения реального диэлектрика (диэлектрика с потерями) Диэлектрические потери (Вт) в образце электроизоляционного материала или в изоляции какой-либо конструкции с емкостью (Ф) при действующем значении переменного синусоидального напряжения U (В) и круговой частоте (с–1 ) вычисляются по формуле Отсюда следует, что потери определяются величиной тангенса угла диэлектрических потерь ( ), являющегося поэтому важной характеристикой как диэлектриков, так и изоляции конструкций (конденсаторов, электрических машин, кабелей и проводов), в особенности работающих при высоких напряжениях и частотах. И тангенс угла диэлектрических потерь, и диэлектрическая проницаемость диэлектриков зависят от различных факторов, например частоты приложенного напряжения, температуры диэлектрика и др. Ярко выIa Iс U   I 21 раженная зависимость от приложенного напряжения наблюдается у изоляции, содержащей газовые включения. Домашнее задание Изучите: 1) физические основы и характерные черты явления поляризации и чем обусловлены диэлектрические потери в твердых диэлектриках; 2) влияние окружающей среды на процесс поляризации и диэлектрические потери; 3) стандартные методы определения и при напряжении переменной частоты, устройство установки для определения емкости и тангенса диэлектрических потерь конденсаторов (измеритель RLC типа Е7- 22) и порядок работы на установке; 4) требования к образцам материалов для определения и диэлектриков; 5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе. Описание лабораторной установки 1. Стенд состоит из термостата, обеспечивающего задание, измерение, автоматическую поддержку температуры образца и измерителя RLC (измерителя емкости и тангенса угла диэлектрических потерь) образца диэлектрика. По результатам измерения и с учетом размеров образца вычисляется его диэлектрическая проницаемость (см. соотношение (1)). 2. Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термостата обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между температурой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного температурного режима осуществляется по показанию чувствительного термосопротивления, установленного стационарно внутри рабочей камеры термостата. Предварительная установка значения требуемой температуры производится с помощью кнопок на передней панели термостата с индикацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее поддержка осуществляется автоматически (см. рис. 4 лабораторная работа №1). Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: «БОЛЬШЕ»; «НОРМА»; «МЕНЬШЕ». Также предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве текущей температуры и заданной. Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разрядный индикатор при нажатии кнопки «ИЗМЕР» на передней панели термостата. 22 3. Объектами исследования могут быть плоские образцы твердых диэлектриков круглой формы с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные диэлектрики с нажимными сменными электродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис. 2. Схема подключения электродов приведена на рис. 3. 4. Конструктивно термостат выполнен в виде настольного блока. Назначение органов управления и присоединительных разъемов приведено на рис. 2. Рис. 2. Внешний вид образца (объекта исследования) Рис. 3. Схема подключения образца к измерителю RLC 5. Кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи и установки его в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов. Рабочее задание 1. Проведите измерения и образцов на частотах 120 Гц и 1 кГц в диапазоне температур от комнатной до 100 ºС с шагом 10. 23 2. Для измеренных значений определите относительную диэлектрическую проницаемость . 3. Постройте графики зависимостей и от температуры на частотах 120 Гц и 1 кГц. Определите, является ли данный вам образец полярным. 4. Сделайте письменные выводы по проведенной работе. Порядок проведения работы Работа на установке требует строго выполнения правил по технике безопасности. Пред началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типовым заданием, приведенным в работе, указаниями преподавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя. 1. Проведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика при комнатной температуре, для этого: а) для включения режима регулирования нажмите кнопку «ИЗМЕР» на передней панели термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору; б) нажатием на кнопку «L/C/R» на панели измерителя E7-22 выберите режим измерения «С». Подключите измеряемый компонент к измерителю. Установите необходимую частоту, на которой будут проводиться измерения, используя кнопку ―ЧАСТ‖. При каждом нажатии на кнопку частота изменяется в последовательности 1 кГц  120 Гц  1 кГц. Затем необходимо выбрать схему замещения для нашего образца, для чего используют кнопку «Пар/Посл». При каждом нажатии на кнопку тип схемы замещения меняется в последовательности Пар  Посл  Пар; в) на основном и дополнительных индикаторах измерителя E7-22 отобразятся результаты измерения. Произведите отсчет значений емкости в pF (пФ) или nF (нФ) и тангенса угла диэлектрических потерь D (tg) по соответствующим индикаторам измерителя. 2. С помощью кнопок «УСТАНОВКА–»или «УСТАНОВКА+» задайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе. 3. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов: «БОЛЬШЕ»; «НОРМА»; «МЕНЬШЕ». При зажигании светодиода «НОРМА» (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 2…3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. 24 После наступления установившегося температурного режима проведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. 4. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения нагрева от установленной максимальной температуры. 5. По измеренным значениям емкости и с учетом геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения диэлектрической проницаемости. Внимание! После окончания измерений установите минимальную температуру кнопкой «УСТАНОВКА–» термостата, не допускайте длительной работы термостата при температурах свыше 100 ºС. 6. После двух часов непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин. Обработка результатов измерений Диэлектрическая проницаемость диэлектрика с круглыми электродами (рис. 1, а) вычисляется по формуле где — емкость образца в Ф; — толщина образца, м; — площадь круглого электрода ; = 8,85·10–12 Ф/м — электрическая постоянная. Образец имеет следующие размеры: толщина — 1,0 мм; диаметр — 100 мм. Контрольные вопросы 1. Какие виды поляризаций могут наблюдаться в твердых диэлектриках, что такое диэлектрическая проницаемость? 2. Какие поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями? 3. Какие механизмы обусловливают диэлектрические потери, что такое мощность диэлектрических потерь и тангенс угла диэлектрических потерь? 4. Как зависят и от температуры, напряженности и частоты электрического поля? 5. Как рассчитать величину ε диэлектрического материала по измеренной емкости конденсатора? 6. Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, стекло, керамика?