Завдання на роботу

1. Визначити при кімнатній температурі та зняти температурну залежність ємності та tgd для ряду конденсаторів за вказівкою викладача.

2. Побудувати температурні залежності ємності, tgd та фактору втрат (добутку ємності і tgd) і дати аналіз температурної залежності діелектричних втрат для досліджених матеріалів.

3. Дослідити вплив вологи на діелектричні втрати діелектричних матеріалів.

4. Зняти та побудувати криву іонізації діелектрика з повітряними порожнинами.

5. Підготувати звіт з роботи з врахуванням додаткових завдань, наведених у методичних вказівках з конкретних розділів роботи

3.1.Стислі теоретичні відомості

Діелектричними втратами називають електричну потужність, що виділяється у вигляді тепла в діелектрикові при дії на нього електричного поля. Діелектричні втрати в матеріалі зумовлюються процесами, що протікають за рахунок енергії зовнішнього електричного поля: направленим переносом вільних носіїв заряду (діелектричні втрати на електропровідність), непружнім зміщенням зв'язаних зарядів або орієнтацією полярних молекул (релаксаційні втрати), іонізацією газу (іонізаційні втрати), перерозподілом носіїв заряду в неоднорідному діелектрикові (втрати внаслідок абсорбційних процесів).

Діелектричні втрати викликають розігрів діелектрика, що може призвести до прискореного старіння або до теплового пробою, особливо якщо діелектричні втрати пов’язані з електропровідністю. Тому при виборі матеріалу в процесі конструювання електротехнічного виробу необхідно знати вид та порядок значень діелектричних втрат, що можуть мати місце при заданих умовах експлуатації.

Для оцінки діелектричних втрат в матеріалі використовують тангенс кута діелектричних втрат tgd, повну потужність діелектричних втрат, питому потужність діелектричних втрат, коефіцієнт діелектричних втрат e_r tgd.

Повна потужність діелектричних втрат в електроізоляційній конструкції дорівнює . Питомі діелектричні втрати де E - напруженість електричного поля в діелектрику, є характеристикою міри електричного навантаження матеріалу.

Кутом діелектричних втрат називають кут, що доповнює до 90° кут зсуву фаз j між струмом та напругою в ємнісному ланцюзі. У випадку ідеального діелектрика вектор струму в такому ланцюзі випереджає вектор напруги на кут, що дорівнює 90°; при цьому діелектричні втрати будуть відсутні. Чим більша розсіювана у діелектрику потужність, що переходить в теплоту, тим менше значення кута зсуву фаз j та тим більший кут діелектричних втрат d та tgd. Паралельна еквівалентна схема діелектрика з втратами та його векторна діаграма показані на рис. 3.1.

На практиці діелектричні втрати матеріалу характеризуються тангенсом куту діелектричних втрат tgd із-за відносної простоти вимірювання цього параметру. Значення tgd у залежності від природи матеріалу знаходиться у діапазоні від 10^-5 до 10^-1. Про умови можливої експлуатації діелектрика судять по значенню коефіцієнта діелектричних втрат e_rtgd. Так матеріали з малим значенням e_rtgd перспективні для високовольтної та високочастотної ізоляції, з більшим значенням - можуть використовуватися в низьковольтних та низькочастотних конструкціях.

Характер діелектричних втрат та їхнє значення визначаються будовою речовини. Так, у однорідних неполярних та іонних діелектриках з щільною упаковкою діелектричні втрати

Рис. 3.1.

визначаються, в основному, втратами на домішкову електропровідність, бо процеси поляризації з пружним зміщенням зв'язаних зарядів протікають без втрат енергії зовнішнього поля, tgd для них складає 10^-5...10^-4.

У однорідних полярних, а також іонних діелектриків з нещільною упаковкою діелектричні втрати включають в себе втрати на електропровідність та релаксаційні втрати і досягають значень 10^-3...10^-2.

Для газоподібних діелектриків, а також твердих або рідких діелектриків, що містять газові порожнини, при високих напругах характерні окрім інших видів іонізаційні втрати, пов’язані з частковими розрядами в газових порожнинах твердих та рідких діелектриків.

Діелектричні втрати в матеріалі залежать від зовнішніх умов (частоти та напруженості електричного поля, температури та вологості навколишньої середи), а тому приведені в довідковій літературі дані по tgd відповідають певним умовам вимірювання. По одноразово виміряному значенню tgd тяжко провести ідентифікацію механізма діелектричних втрат. Повну інформацію про природу діелектричних втрат дають функціональні залежності tgd від частоти електричного поля, його напруженості, а також температури навколишнього середовища, оскільки кожний вид діелектричних втрат характеризується своєю реакцією на зміну зовнішніх умов.

Рис. 3.2. Рис.3.3 Рис.3.4

Для втрат на електропровідність характерна монотонно зростаюча залежність tgd від температури (рис. 3.2, крива 1) та гіперболічна - від частоти (див. там же, крива 2). tgd при релаксаційних втратах має максимум в залежності від температури (рис. 3.3, крива 1) та від частоти (див. там же, крива 2). Іонізаційні втрати з'являються лише при напругах, що перевищують напругу виникнення часткових розрядів U_ВЧР. (рис. 3.4).

Методи вимірювання діелектричних втрат описані у [8]. Для низькочастотних вимірів (до декількох кілогерц) звичайно використовують мостові прилади, причому високовольтні виміри на частоті 50 Гц виконують на мостах типу мосту Шерінга.

3.3. Опис експериментальної установки

Блок-схема експериментальної установки показана на рис. 3.5, де 1 - міст змінного струму; 2 - електродний пристрій ; 3 - зразок матеріалу, що досліджується; 4 - термостат; 5 - термометр; 6 - конденсатори з різними діелектричними матеріалами; 7 – перемикач.

Рис 3.5