Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
Министерство образования РФ
Пермский государственный технический университет
Кафедра «Конструирования и технологии электрической изоляции»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Методические указания
к лабораторным работам по курсу
«Методы испытаний электрической изоляции»
Пермь 2002
Цель работы:
Изучение методики измерения удельных объ емного v и поверхностного s сопротивлений диэлектриков; экспериментальное определение v и s диэлектриков; определение погрешности измерения.
Через диэлектрик, помещенный в постоянное электриче ское поле, протекает электрический ток, который складывает ся из двух составляющих: тока поляризации и тока утечки или тока сквозной проводимости.
Токи поляризации вызваны упругим смещением связан ных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении эти токи протекают в короткие промежутки вре мени в случае включения и выключения напряжения и затем постепенно затухают (рис.1).
Рис.1.
У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов не превышает долей секунды, но в некоторых случаях достигает десятков секунд и больше, что наблюдается при замедленных видах поляризации. Токи, связанные с установлением замедленных видов поляризации, называют токами абсорбции. С ними при ходится считаться при определении сопротивления диэлек триков.
Ток утечки протекает через диэлектрик все время, пока он находится под напряжением (рис.1), и по величине тока утечки определяется сопротивление диэлектрика
где I - наблюдаемый ток, Iа - сумма токов абсорбции. Токи абсорбции обычно учесть трудно, поэтому принято изме рять ток Iмин через минуту после включения образца под на пряжение, а сопротивление рассчитывать по формуле
Для сравнительной оценки различных материалов примени тельно к цепи постоянного тока используют величину их удельного сопротивления. Для твердых диэлектриков разли чают два удельных сопротивления: объемное и поверхност ное. Удельное объемное сопротивление v численно равно (в системе СГС) сопротивлению куба с ребром 1 см, если ток проходит через две противоположных грани. Выражается удельное объемное сопротивление в Омсм. В системе СИ v определяется для куба с ребром 1 м и выражается в Омм. При этом 1 Омм = 100 Омсм. Удельное поверхно стное сопротивление s численно равно сопротивлению квад рата по поверхности диэлектрика со стороной 1 см и изме ряется в омах. Различие в размерности подчеркивает, что величины v и s характеризуют два различных свойства диэлектрика: проводить электрический ток через толщу или по поверхности диэлектрика.
Для более полной характеристики изоляционного мате риала нужно знать его объемное и поверхностное сопро тивление.
Объемное сопротивление диэлектриков Rv зависит от тем пературы и величины приложенного напряжения, а для гигро скопичных диэлектриков и от влажности. Поверхностное со противление Rs зависит от влажности окружающей среды, особенно если диэлектрик смачивается водой, от раствори мости в воде материала и от чистоты поверхности.
Для определения объемного сопротивления необходимо электроды на исследуемом образце расположить так, чтобы электрическое поле вызвало движение свободных ионов через толщу диэлектрика (рис. 2).
Рис.2.
Зная величину приложен ного напряжения и измерив гальванометром ток, проходящий через образец, можно найти объемное сопротивление образца диэлектрика (Ом):
По измеренным значениям Rs и Rv расчетом находят удельные объемное и поверх ностное сопротивления, являющиеся качественными характеристиками изоляционного материала. В основу расчетных формул положен закон Ома, который остается справедливым для полей напряженностью до I06 В/см.
Величина Rv зависит как от качества диэлектрика, так и от геометрических размеров образца
Отсюда
где - толщина диэлектрика, см; S - площадь электро да, см2.
Поверхностный ток вызывается чаще всего свободными ионами тех загрязнений, которые могут быть на поверхности материала. Для измерения поверхностного сопротивления электроды на испытуемом образце должны быть расположе ны так, чтобы электрическое поле вызывало движение сво бодных ионов в тонком поверхностном слое диэлектрика (рис. 3).
Рис.3.
Поверхностное сопротивление определяется по формуле (Ом)
и зависит от качества поверхности диэлектрика, а также от длины и ширины пути тока. Если электроды взяты в виде двух параллельно поставленных ножей или полос длиной В на расстояний L друг от друга, то
отсюда
L и В имеют линейные размеры.
Так как поверхность загрязнить легче, чем толщу мате риала, то обычно s хотя бы на один порядок ниже, чем v.
Полное сопротивление изоляции R определяется как результирующее двух параллельно соединенных сопротивлений – поверхностного Rs и объемного Rv
Обычно стремятся измерить каждую из составляющих в отдельности, устраняя влияние другой. Для этого применяют систему из трех электродов: измерительного (И), высоковольтного (В) и охранного (О) (рис. 4).
а) б)
Рис. 4. Схемы электродов для измерения
поверхностного (а) и объемного (б) сопротивлений
При измерении объемного сопротивления охранный электрод заземляется. Если охранное кольцо не заземлено (рис. 4, б), то гальванометр будет измерять ток, протекающий в объеме диэлектрика через сечение S, равное площади измерительного электрода, ток по поверхности диэлектрика и ток, который течет по объему диэлектрика, минуя сечение S. Кроме того, в результате краевого эффекта может возникнуть иониза ция воздуха у края измерительного электрода и увеличиться ток в цепи гальванометра.
Таким образом, при незаземленном охранном кольце гальва нометр будет показывать суммарный ток больший, чем протекающий через сечение S. Следовательно, результаты определения вели чины объемного сопротивления будут занижены.
Для определения поверхностного сопротивления применяется схема, показанная на рис. 4,а. Здесь заземляется нижний элект род. Если электрод (О) не заземлен, то гальва нометр измеряет ток, протекающий по поверхности диэлект рика между (В) и (И), и ток, протекающий между этими электродами по объему диэлектрика. Кроме того, вблизи внутреннего края (В) и края (И) имеет место краевой эффект, увеличивающий ток в цепи гальванометра.
Таким образом, при незаземленном нижнем электроде гальва нометр показывает суммарный ток и результаты определения величины поверхностного сопротивления занижены.
При заземленном охранном электроде в гальваномет ре течет только поверхностный ток в кольцевом зазоре между электродами (В) и (И).
Поверхностное сопротивление плоского образца для трехэлектродной системы можно определить по формуле
где s - удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, Ом; d1 - диаметр измерительного электрода, м; d2 - внутренних диаметр кольцевого электрода, м.
Тогда
Методы определения сопротивления электроизоляционных материалов
В зависимости от величины сопротивления применяют различные методы измерения.
Электроизоляционные материалы широкого применения характеризуются сопротивлением до 1012 1013 Ом. Такое сопротивление может быть измерено при помощи зеркального гальванометра тремя методами: непосредственного отклонения, сравнения и заряда конденсатора. Однако практичес ки метод сравнения есть тот же метод непосредственного отклоне ния, но с определением динамической постоянной гальванометра. Поэтому метод сравнения не рассматриваем.
Метод непосредственного отклонения
Сущность данного метода заключается в том, что непосредственно измеряется ток, протекающий через диэлектрик, и приложенное к нему напряжение.
Установка (рис. 5) состоит из зеркального гальванометра, шунта к гальванометру, образцового сопротивления 5 МОм = 5106 Ом, стабилизированного источника питания ВС-22.
Рис. 5.
Измеряемое сопротивление рас считывается по формуле
, Ом
где U – напряжение, В; Сд - динамическая постоянная гальванометра, А/мм; - отклонение светового луча гальванометра, мм; п — шунтовое число, которое равно отношению тока гальва нометра Jг к току в цепи J0.
Обычно положения переключателя сопротивлений щунта выбира ются соответственно значениям п:
При положении весь ток цепи протекает по гальванометру.
Определение динамической постоянной по току. Для этой цели закорачивают измерительный и высоковольтный электроды, а охран ный отключают от зажима "земля". В этом случае ток в цепи
Динамическая постоянная - это ток гальванометра, отнесенный к одному делению шкалы:
Сд обычно определяется при двух значениях напряжения, затем находится средняя величина.
Относительную погрешность определения v, например, на плоском образце можно найти следующим образом:
Метод заряда конденсатора
Образец диэлектрика (рис. 6) включают последователь но с образцовым конденсатором С0 на определенное время, в тече ние которого происходит зарядка этого конденсатора.
Рис. 6.
Затем с помощью баллистического гальванометра определяют заряд конденсатора, а по величине его находят сопротивление образца.
При измерении заряда гальванометром
(*)
где - отклонение гальванометра, мм; Сб - баллистическая постоянная, К/мм; n - шунтовое число.
При зарядке конденсатора С0 через сопротивление образца диэлектрика Rx в течение времени от источника напряжением U0 напряжение на конденсаторе
а его заряд
Выражение можно разложить в ряд:
При можно ограничиться первыми двумя членами ряда, тогда заряд
(**)
Приравнивая друг другу выражения (*) и (**), получаем сопротивление образца
Определение баллистической постоянной гальванометра. Закорачивают измерительный и высоковольтный электроды, а охран ный отключают от зажима "земля". Включают напряжение и при отключенном гальванометре заряжают конденсатор С0 (К – в верхнем положении, К1 – в левом положении) рис.6. через образцовое сопротивление R0 в течение определенного времени . Затем, поставив в правое положение переключатель К1, немедленно разряжают конденсатор через гальванометр, отмечая его наибольший отброс .
Заряд конденсатора
Баллистическая постоянная гальванометра – это прошедший заряд через гальванометр, приходящийся на одно деление.
Обычно постоянную гальванометра определяют при двух значениях напряжения и вычисляют среднюю.
1. Ознакомиться со схемой установки и ее монтажным выполне нием. Изучить назначение всех элементов схемы.
2. Установить на стенде испытуемый образец, подключив его согласно схемам, показанным на рис. 4 и 5, в зависимости от того, что измеряется – Rv или Rs.
3. Проверить:
а) положение переключателя шунта гальванометра - он должен быть в положении п = ;
б) положение регулятора напряжения на панели источника пи тания ВС-22 (крайнее левое положение).
4. Под наблюдением преподавателя включить подсветку гальва нометра и источник питания (ВС-22 прогреть в течение 2 минут).
5. Включить тумблер "высокое напряжение" и установить на образце требуемое напряжение регулятором "киловольты". Стрелка прибора mА должна быть в центре шкалы.
6. Проверить схему, для чего нажать кнопку "ток нагрузки", стрелка тА должна встать на "О"; в противном случае высокое напряжение снять, проверить схему и устранить причину короткого замыкания.
7. Через 1 минуту после подачи напряжения на образец, вы водя шунт, получить заметное отклонение светового луча по шкале гальванометра при одной и другой полярности, не допуская при этом его отклонения более чем на 150-170 делений.
8. Ввести шунт в первоначальное положение (n = ), снять с образца напряжение в разрядить его на землю открытием двери камеры (разряжается автоматически).
9. Приступить к измерениям Rx по методу заряда конденса тора.
10. Повторить пункты 2,3.
11. Включить образцовый конденсатор С0 последовательно с образцом в соответствии со схемой.
12. Повторить пункты 5,6.
13. Поставить ключ К1 (см. рис. 6) влево и произвести за рядку конденсатора С0 в течение 5 минут.
14. Через 5 минут, сняв напряжение тумблером "высокое напря жение" на панели ВС, разрядить С0 (ключ К1 вправо) через гальва нометр. Записать максимальный отброс светового луча при соответ ствующем шунтовом числе.
15. Тераомметром Е6-13А измерить сопротивление изоляции диэлектрика на постоянном токе (использовать описание к прибору).
Содержание отчета
Отчет включает следующее:
1) цель работы;
2) принципиальную схему установки;
3) расчетные формулы, использованные в работе;
4) таблицы с экспериментальными и расчетными данны ми;
5) выводы по работе.
6) технические характеристики использованных приборов.