LAB_EPSILON_3 (Лабораторные работы)

1

УДК

621.3

Л-125

МОСКОВСКИЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

(технический университет)

В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.В. Серебрянников, В.П. Чепарин

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы

1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ) НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Цель работы- определение диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ различных электроизоляционных материалов в зависимости от изменения частоты электрического поля, а также ознакомление с одним из стандартных методов определения этих диэлектрических характеристик.

23

Домашнее задание Изучите:

1) физические основы и характерные черты различных видов
поляризации диэлектриков на высоких частотах;

2) виды и физическую природу диэлектрических потерь;

3) влияние частоты электрического поля и температуры окружающей
среды при испытании на величины tgδ и ε;

4) методику определения tgδ и ε твердых электроизоляционных
материалов на высоких частотах (выше 10 кГц) резонансным методом;

5) порядок проведения работы;

6) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления
протокола по работе.

Описание лабораторной установки

В работе для определения tgδ и ε диэлектриков на высоких частотах используется резонансный метод измерения емкости и добротности конденсаторов с помощью измерителя добротности (куметра).

Рис. 1.3. Принципиальная схема измерительного колебательного контура куметра без подключенного образца (а) и с подключенным образцом (б)

24

Измерение основано на двукратной настройке в резонанс

последовательного колебательного контура, содержащего образцовую катушку индуктивности L и конденсатор переменной емкости С (рис. 1.3 а).

Сначала, не подключая испытуемый конденсатор, изменением емкости С контур настраивают в резонанс, когда комплексное сопротивление контура минимально, а реактивные составляющие общего сопротивления контура равны, то есть

ωL=1/(ωС). (1.3.1)

Резонанс фиксируют по максимальному показанию Q₁ проградуиро-ванного в единицах добротности вольтметра Q.

Далее, испытуемый конденсатор, который может быть представлен в виде параллельной схемы замещения (С и R), включается параллельно емкости С (рис. 1.3 б). При неизменных частоте и индуктивности L контур вновь настраивается в резонанс. Теперь настройка контура производится изменени­ем (уменьшением) переменной емкости С от величины С₁ до С₂, так чтобы

С₁=С₂ + С _x . (1.3.2)

Значение добротности Q₂, соответствующее резонансу в контуре с подключенным испытуемым конденсатором, меньше Q₁ из - за диэлектрических потерь в конденсаторе С_x.

Тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора tgδ рассчитывают по формуле

tgδ = (Q₁ - Q₂) •С₁/ [Q₁•Q₂• (С₁ - С₂)]. (1.3.3)

где C₁ и Q₁ - соответственно значения емкости С и добротности контура Q в резонансе без образца; С₂ и Q₂ - то же с образцом.

25

Рабочее задание

1. При температуре 20±5°С на частоте 1 МГц определите ε и tgδ
   образцов твердых диэлектриков, выбранных по указанию преподавателя.

2. Рассчитайте погрешность определения ε и tgδ

3. Снимите зависимости ε и tgδ от частоты в диапазоне от 50 кГц до 10
   МГц (10 - 12 точек, по указанию преподавателя) для предложенных
   образцов диэлектриков.

4. Полученные зависимости представьте в виде графиков ε = ƒ₁(Lg v) и tgδ = ƒ₂(Lg v) ), где v - частота электрического поля.

5. Сделайте письменные выводы по проведенной работе.

6. Выполните протокол проделанной работы.

Порядок проведения работы

Исследования образцов производятся с помощью измерителя добротности

Е4 - 7, предназначенного для эксплуатации в интервале частот от 50 кГц до 35 МГц.

Перед началом работы следует ознакомиться с прибором, комплектом образцовых катушек индуктивности, предлагаемыми образцами твердых электроизоляционных материалов, типовым рабочим заданием и указаниями преподавателя. Начинать работу можно только по разрешению преподавателя в следующем порядке.

1. Для подготовки прибора к работе тумблер питания включается в положение "СЕТЬ", при этом должна загореться сигнальная лампочка. Прибор будет готов к работе после 30-минутного прогрева.

26

2. Подготовьте образцы диэлектриков для испытаний. В случае необходимости проведите измерение геометрических размеров образцов и электродов.

1. После прогрева производится калибровка прибора, для чего, установив
   переключатель "Частота kHz/MHz" на требуемый поддиапазон, ручкой
   "Частота kHz/MHz" поставьте стрелку на нужную частоту. Переключатель
   "∆Q-Q" поставьте в положение "Q", а тумблер "Измерение-калибровка
   QΔ "-в положение "Калибровка QΔ". Ручкой "Калибровка QΔ" стрелка
   измерительного прибора устанавливается точно на риску под знаком "∆".
   После этого тумблер "Измерение-калибровка QΔ " ставится в положение
   "Измерение". Прибор готов к измерениям.

2. Из комплекта катушек индуктивности подберите такую, которая может
   резонировать на частоте измерения (диапазон частот указан на катушке), и
   подключите ее к клеммам "L".

1. Настройте измерительный контур в резонанс. Для этого нажатием
   кнопки " ↔ " изменяйте емкость конденсатора переменной емкости, добива­
   ясь максимального значения Q. В случае необходимости нужно перейти на
   другой диапазон Q. Точная настройка контура в резонанс производится
   нониусным конденсатором. Проведите калибровку в соответствии с п.З
   Порядка проведения работы, зафиксируйте (запишите) полученные
   значения С₁ и Q₁.

2. К клеммам “С_x “ подключите исследуемый конденсатор. Контур вновь
   настройте в резонанс, произведите калибровку и зафиксируйте значения
   С₂ и Q₂.

ВНИМАНИЕ! При работе на шкалах Q "300" и "1000" необходимо предварительно включить переключатель " ΔQ - Q" в положение " ΔQ " и ручкой "Нуль Q" установить стрелку указателя Q на отметку "0".

27

7. После выполнения всего объема испытаний для завершения работы необходимо выполнить следующие операции.

1. Снять образцовую катушку индуктивности и уложить ее в контейнер.

2. Отключить образцы от прибора.

3. Получить разрешение преподавателя на окончание работы.

4. Выключить питание прибора тумблером "СЕТЬ".

Обработка результатов измерений

1. В случае использования плоских образцов диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле

е = 14,4 С_х h /D², (1.3.4)

где h - толщина образца, см; D - диаметр измерительного электрода, см; Сх — емкость, пФ.

2. Расчет погрешностей измерения ε и tgδ ведется по формулам

(1.3.5)

_где (1.3.6)

С _x=С₁-С₂ (1.3.7)

и ΔС_х-= ΔС₁ + ΔС₂. (1.3.8)

3. Графики зависимостей выполняются на миллиметровой бумаге.

28

Контрольные вопросы

1. Объясните методику проведения эксперимента.

2. Объясните, как изменятся полученные зависимости при изменении
температуры окружающей среды.

3. Что такое диэлектрическая проницаемость (абсолютная, относительная, диэлектрическая проницаемость вакуума) и какова ее зависимость от внешних факторов (температуры, частоты, напряженности электрического поля)?

1. Дайте характеристику быстрых и медленных видов поляризации
   диэлектриков.

2. Назовите виды диэлектрических потерь в полярных и неполярных
   диэлектриках.

6. Дайте характеристику исследованных материалов, опишите технологию их получения, основные свойства, области применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические
материалы. -Л.: Энергоатомиздат, 1985. -304 с. (гл. 3; § 6.14, 6.16, 6.17).

2. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных
материалов и изделий. -Л.: Энергия, 1980. -213 с. (введение, гл. 3).

3. Бородулин В.Н. Диэлектрики. М.: Изд - во МЭИ, 1993. -60 с.(гл. 3).

29