Методические указания по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы» (стр. 4 из 9)
Из векторной диаграммы:
Iа= Iа абс+ Iпр; Iр= Iр абс+ Iсм.; tgδ=Iа/Iр, откуда Iа= Iр∙ tgδ.
Реактивный ток
Iр=U/Xр= U∙ω∙C, тоесть Iа=U∙ω∙C∙tgδ.
Активная мощность, т. е. мощность, расходуемая на нагрев диэлектрика:
Ра=U∙Iа=U2∙ω∙C∙tgδ.
Из этой формулы видно, что при заданной величине напряжения, его частоты ω и емкости С потери энергии в диэлектрике будут зависеть от tgδ. В соответствии с этим угол δ, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°, называют утлом диэлектрических потерь. Эта величина является важнейшей электрической характеристикой каждого диэлектрика.
При изучении данного вопроса следует ознакомиться с методикой определения тангенса угла диэлектрических потерь.
Электрическая прочность диэлектрика Епр - напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.
Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектрике
Eпр = Uпр/h, B/м
где Uпр - напряжение, приложенное к диэлектрику;
h - толщина диэлектрика.
Нужно изучить следующие виды пробоя диэлектриков: тепловой, электрический, электрохимический и смешанный.
Следует помнить основные электрические характеристики диэлектрика: удельное электрическое сопротивление ρ, диэлектрическая проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и электрическая прочность Епр.
Литература: [3], с. 4-18.
3.2. Механические, тепловые и физико-химические характеристики диэлектриков.
Электротехническая аппаратура может работать в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для ее изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические свойства, а правильный выбор их обеспечивает надежность и долговечность работы диэлектриков.
Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибро прочность.
Простейшие виды статические механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.
Значения пределов прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи) в системе СИ выражаются в паскалях (Н/м2).
Ударную вязкость (σуд) материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м2.
В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций. Такая проверка проводится на вибростендах.
К основным тепловым характеристикам относятся температура вспышки паров, температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, морозостойкость, нагревостойкость, температурные коэффициенты.
Температура вспышки - это такая температура, при которой смесь паров жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает от приближения небольшого открытого пламени, от искры и т. д. Она определяется с помощью прибора ПВНО (прибор вспышки - нагрева огневой) или ПВНЭ (прибор вспышки - нагрев электрический).
Если для кристаллических материалов основным тепловым параметром является температура плавления, то для аморфных веществ аналогичной характеристикой является температура размягчения. При размягчении происходит снижение механической прочности и постепенная деформация изделий. Одним из весьма распространенных параметров, характеризующих способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, является теплостойкость по Мартенсу.
Морозостойкость определяет способность материала противостоять действию низких температур.
Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких изменений температуры называется нагревостойкостью. Материалы, употребляемые для изоляции электрических машин и аппаратов, по величине длительно допустимой рабочей температуры подразделяются на семь классов нагревостойкости, которые следует изучить.
Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1.
Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.
Следует изучить следующие физико-химические характеристики диэлектриков: вязкость жидких диэлектриков, кислотное число, химическую стойкость, влагостойкость, радиационную стойкость, тропическую стойкость.
Вязкость является важным параметром жидких диэлектриков. Она измеряется вискозиметром. Сущность определения сводится к тому, что из сосуда через калиброванное отверстие в его дне выпускается определенный объем испытуемого материала и точно измеряется время истечения.
Кислотное число характеризует содержание в материале свободных кислот, которые вызывают коррозию соприкасающихся с ним металлов. Его величина определяется количеством едкого кали КОН, требующимся для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала.
При работе материалов в химически активных, агрессивных средах разрешающее воздействие на разные материалы может быть сильным. Для работы в таких условиях, в зависимости от их природа, материалы должны обладать определенной химической стойкостью, которая определяется аналогично влагостойкости по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров.
Для испытания на тропикостойкость материалы и изделия из них выдерживают при температуре 40-50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков.
Радиационной стойкостью называется способность электроизоляционного материала без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств выдержать воздействие радиационных излучений.
Литература: [3], с. 18-87.
3. 3. Газообразные диэлектрики
Наиболее важным из числа газообразных диэлектриков является воздух. В силу своей всеобщей распространенности воздух повсеместно входит в состав электротехнических установок и играет в них роль электроизоляционного материала дополнительно к твердым и жидким диэлектрикам. В отдельных частях электротехнических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между проводниками.
Кроме воздуха, в практической электротехнике используются азот, имеющий такую же электрическую прочность, как и воздух, углекислый газ и водород, имеющие меньшую электрическую прочность, а также так называемые электроотрицательные газы, отличающиеся тем, что их молекулы способны присоединять к себе (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь, таким образом, в малоподвижные отрицательные ионы.
Для осуществления ударной ионизации этими ионами требуется большая напряженность электрического поля, чем при ионизации электронами, поэтому электроотрицательные газы отличаются повышенной электрической прочностью. К ним относятся газы, содержащие в своих молекулах атомы фтора, брома и хлора, а именно: гексафторид серы (элегаз), дихлордифторметан (фреон-12), трихлорфторметан (фреон-11), тетрахлорметан и фторфенатрен.
В естественных условиях любой газ имеет начальную ионизацию, обусловленную влиянием тепла, света, радиации и других факторов, поэтому если к разрядному промежутку подвести напряжение, в цепи возникнет небольшой ток, возрастающий с увеличением напряжения (участок I, рис. 2). При некотором значении напряжения ток перестает возрастать (участок II). На этом участке происходит накопление энергии заряженными частицами газа - электронами и ионами. С дальнейшим повышением напряжения скорость заряженных частиц возрастает настолько, что при соударении их с нейтральными частицами газа происходит ионизация, то есть образование новых свободных электронов и положительных ионов. В результате ток резко возрастает (участок III). Зависимость тока, проходящего через газ, от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (рис. 2).
Процесс ударной ионизации сопровождается резким уменьшением удельного объемного сопротивления и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь. Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, исключающих (Рис. 2) процесс ударной ионизации.
Следует изучить явление пробоя газа в однородном и неоднородном полях, типы электродов, создающих их.
Пробой газа в неоднородном электрическом поле проходит ряд промежуточных стадий. Вначале наступает электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом (острие, провод), т. к. у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При напряжении значительно меньшем пробивного у поверхности этого электрода в газе возникает коронирующий разряд - электрическая корона. Она представляет собой светло-фиолетовое свечение в слое воздуха около электрода. Корона сопровождается шипением и образованием в воздухе озона (О3) и окислов азота (NO).