Описание лабораторных работ по ЭТМ

 
 
 

Лабораторная работа № 2

Диэлектрические потери и диэлектрическая  проницаемость. 

     В диэлектриках, находящихся в электрическом  поле, происходит рассеяние энергии (диэлектрические потери), в результате чего диэлектрики нагреваются. Это  рассеяние энергии наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжениях.

      При постоянном напряжении через диэлектрик протекает только ток сквозной проводимости, и качество диэлектрика в этом случае может быть охарактеризовано величинами удельных объемного и поверхностного сопротивлений.

      При переменном напряжении, помимо потерь, вызываемых протеканием токов проводимости, в диэлектрике возникают потери за счет замедленной поляризации.

      В технических диэлектриках могут  быть дополнительные потери при наличии  посторонних полупроводящих примесей (влага, окислы железа, углерод и т.д.) и за счет ионизации газовых включений внутри диэлектрика в случае высоких напряжений.

      Если  конденсатор с данным диэлектриком включить в цепь переменного напряжения, то в цепи потечет ток. Этот ток можно рассматривать как сумму трех токов:

1. Ток емкостной проводимости или ток смещения, не не сопровождающийся потерями энергии  Iсо.

2. Ток абсорбции за счет замедленных видов поляризации, сопровождающихся потерями Iaбc.

3. Ток  сквозной проводимости за счет наличия в диэлектрике свободных зарядов  Iпр

      Учитывая  эти три тока, диэлектрик можно  представить  в виде эквивалентной  схемы замещения, состоящей из трех ветвей (рис. 5). В этой схеме по сопротивлению  R протекает ток сквозной проводимости; ток  Ico протекает через емкость  Со  и через ветвь, содержащую Ч  и Сабс, протекают токи замедленной поляризации. Здесь ч   оказывает замедляющее действие при зарядке Сабс.

      В практике исследований и расчетов пользуются более простыми схемами замещения  диэлектрика, параллельной или последовательной.

      На  рисунке 6 показаны обе схемы и  соответствующие им векторные диаграммы.  
 
 
 

    

                        Рис.  5

     Рис.  6 

     Из  векторных диаграмм видно, что активная мощность, теряемая в параллельной схеме – Р = И² w Ср tgd , а в последователь-

     ной - 

     Практически, мощность, рассчитанная по обеим формулам, одинакова и равна

                          

     Удельная  мощность диэлектрических потерь 

                                         
 

     Из  этих формул видно, что потери энергии  в диэлектрике пропорциональны  tgd, поэтому угол " d " называют углом диэлектрических потерь.

     Как видно из векторных диаграмм для параллельной схемы замещения , а для последовательной 

     Величины  " tgd " для различных диэлектриков колеблются в широких пределах.

     Определение угла диэлектрических потерь может производиться при промышленной, звуковой и радиочастотах. Тот или другой метод измерений выбирается в зависимости от частоты, при которой должен работать данный диэлектрик. При измерениях на промышленной и звуковой частотах пользуются мостовыми схемами, при высоких же частотах (порядка 10⁶ Гц) наибольшим распространением пользуются резонансные методы.

     Принципиальная  схема высоковольтного моста  для определения диэлектрических  потерь показана на рисунке  7.

     Векторные диаграммы для правой и левой  половины, а также совмещенная диаграмма при равновесии моста приведены на рисунке 8.

     Как известно, при равновесии моста соблюдаются  следующие условия:         и        j₁-j₃=j₂-j₄

где, j₁; j₂; j₃; j₄-углы сдвига фаз в соответствующих ветвях моста.

Сопротивления плеч моста имеют следующие значения:

; ; ;  
 
 
 
 
 

ИЗМЕРЕНИЕ tgd  И  ЁМКОСТЬ ОБРАЗЦА 

      При испытании твердых листовых материалов используется система из трех электродов  (рис. 10).

      К нижнему электроду подводится высокое  напряжение, верхний электрод присоединен  к измерительной диагонали, а охранное кольцо заземляется. Мост питается повышающим трансформатором типа НОМ – 10, коэффициент трансформации которого равен 100.

После уравновешивания моста, т.е. после  подбора значения сопротивления R₃ емкости С₄ , когда ток в диагонали гальванометра равен нулю, тангенс угла диэлектрических потерь образца определяется по формуле: 

                  tgd=2 p ¦C₄R₄ × 10^-6 
 

где    ¦ - частота в Гц;

         С₄ – в мкФ       R₄ - в Омах. 
 

     Значение  R₄  составляет  10⁴/p  и потому при ¦  = 50 Гц численно × tg = C₄ , если  С₄  в мкФ. 
 
 

 

                                   Рис.  10

                       1 – высоковольтный  электрод;

                       2 – исследуемый диэлектрик;

                       3 – верхний электрод;

                       4 – охранное кольцо. 

     Диэлектрическая проницаемость e определяется из значения емкости образца, вычисленной по результатам измерений. Как было показано выше, емкость испытуемого образца 

                       С_х =  С₀ 

здесь  С₀  =  98 пФ.

      Так как емкость плоского конденсатора 

                        С_х =

то

                        e=  

где  h  -  толщина диэлектрика в см;

        S -  площадь, охватываемая верхним электродом.

      Если  используется круглый электрод с диаметром d , то удобно пользоваться формулой:   

                        e=     

      

     В случае проведения измерений емкости  цилиндрического конденсатора для  расчета используется формула: 

                                  e=  

     При измерениях  tgd и e весьма важно обеспечить плотное прилегание электродов к поверхностям диэлектрика. При неплотном контакте электродов в прослойке воздуха может возникнуть ионизация, что приведет к возрастанию tgd  при высоких испытательных напряженностях, а диэлектрическая проницаемость  e окажется значительно уменьшенной в сравнении с действительной. 
 

а)  Порядок  измерений.

     1.Подключить  испытуемый образец с помощью  электродов.

     2.Проверить  схему. Выполнить все требования правил работы с высоким напряжением.

     3.Установить  лимб емкости  " С_а " в положение, указанное преподавателем.

     4.Установить  рукоятку регулировки усиления  усилителя и рукоятку регулировки   чувствительности гальванометра в положение минимума. Включить в штепсельные розетки вилки питания усилителя и защитного напряжения, а также освещения гальванометра.

     5.Установить переключатель " Основ. мост. Экраны " в среднее положение, а рукоятку автотрансформатора, регулирующего напряжение на зажимах первичной обмотки высоковольтного трансформатора в нулевое положение.