Лабораторные работы по материаловедению

Летающий спутник

Летающий спутник

Заработок для студента

Заработок для студента

 Заказать диплом

 Курсовые работы

Курсовые работы

Репетиторы онлайн по любым предметам

Репетиторы онлайн по любым предметам

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Магазин студенческих работ

Магазин студенческих работ

Диссертации на заказ

Диссертации на заказ

Заказать курсовую работу или скачать?

Заказать курсовую работу или скачать?

Эссе на заказ

Эссе на заказ

Банк рефератов и курсовых

Банк рефератов и курсовых

Электротехника
ТОЭ типовые задания примеры
решения задач
Радиотехнические схемы Генераторы
Лабораторные работы
Контрольная работа
Конспект лекций
Электротехника, электроника
Линейные цепи постоянного тока
Переменный ток. Приборы и оборудование
Комплексный метод расчета
цепей синусоидального тока
Электрические цепи с
взаимной индуктивностью
Расчет неразветвленных
магнитных цепей
Электромагнитные устройства
Трансформаторы
Однофазный асинхронный двигатель
Электронно-оптические приборы
Электронные усилители и генераторы
Источники питания электронных устройств
Измерение тока и напряжения
Работа электрической машины
постоянного тока в режиме генератора
История искусства
Стили в архитектуре и дизайне
Стиль АРТДЕКО
Париж оставался центром стиля арт-деко
Развитие традиционной архитектуры
Восточного Китая
ТВОРЧЕСТВО ЛЕ КОРБЮЗЬЕ
ТВОРЧЕСТВО  ВАЛЬТЕРА ГРОПИУСА
Людвиг Мис ван дер Роэ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ДОМ
Здание Калифорнийской Академии наук
История дизайна
Дизайн в моде
Литература о дизайне
Линия борьбы с академизмом
в искусстве и эстетике
Объяснение промышленного искусства
Дизайнерское проектирование
для промышленности
ТОМАС МАЛЬДОНАДО
Джордж Нельсон
ДИЗАЙН В ДЕЙСТВИИ
фирма «Вестингауз»
„ОЛИВЕТТИ" Фабрика пишущих машин
Активное развитие дизайна «Оливетти»
НОН-ДИЗАЙН
ДИЗАЙН В ДЕЙСТВИИ
авторские концепции дизайна
ДИЗАЙН И ИСКУССТВО
Европейский «артистический» дизайн
Первичность деятельности художника
Современный элитарный дизайн
Художественное проектирование
Индустриальный дизайн
Стиль в дизайне. Понятие "фирменный стиль"
Абстракционизм
ПЕРВЫЕ ШКОЛЫ ДИЗАЙНА Баухауз
ДИЗАЙН В ПРЕДВОЕННУЮ ЭПОХУ
ПОСЛЕВОЕННЫЙ ДИЗАЙН
ДИЗАЙН 60-х
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ДИЗАЙН
Государственный дизайн
ДИЗАЙН-ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО
Прикладное искусство Византии IV–VII века
Поверхности
Начертательная геометрия
Задачи по математике
Математика Методические указания
к выполнению контрольных работ
Решение линейных дифференциальных уравнений и систем
операционным методом
Область сходимости степенного ряда
Математический анализ
Пример решения типового задания
Найти значение производной функции
Линейная алгебра
Задачи по физике
Оптика
Электростатика
Энергетика
Системы теплоснабжения
Региональный опыт энергосбережения
Тепловые насосы
Проектирование аккумуляторов теплоты
Малая гидроэнергетика
Ветроэнергетика в России
Гелиоэнергетика
Активные гелиосистемы отопления зданий
Гидротермальные системы
Закрытые системы геотермального
теплоснабжения
Мини-теплоэлектростанция на отходах
Энергия морских течений
Водородная экономика
Основы технической механики
Сопротивление материалов
Контрольная работа
Шарнирное соединение деталей
Вычисления моментов инерции
однородных тел
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить методы определения электрических и общих физических свойств жидких диэлектриков и провести сокращенный анализ параметров трансформаторного масла.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

Изучить методы определения электрической прочности диэлектрических материалов электроустановок в различных агрегатных состояниях.

Изучить методы определения электрических и общих физических свойств жидких диэлектриков.

Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрической прочности и других свойств жидких диэлектрических материалов электроустановок.

Выполнить измерения и расчеты основных параметров трансформаторного масла.

Провести анализ полученных данных и сделать выводы по лабораторной работе.

Ответить на вопросы по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Жидкий диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Значение напряжения в момент пробоя, называют пробивным напряжением , а напряженность электрического поля – электрической прочностью. Если напряжение достигло значения , то сквозной ток увеличивается, напряжение на электродах уменьшается, сопротивление падает, а электропроводность диэлектрика возрастает. Наступает электрический пробой материала (рисунок 1).

Значение напряжения  зависит от толщины диэлектрика  и конфигурации электродов и свойств самой изоляции. Поэтому пробивное напряжение характеризует не столько свойства материала, сколько способность диэлектрика противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств изоляторов более удобной характеристикой является электрическая прочность жидкого диэлектрика.

Рисунок 1 – Зависимость сквозного тока от напряжения, приложенного к жидкому диэлектрику

Минимальную напряженность однородного электрического поля приводящую к пробою диэлектрика называют электрической прочностью:

.  (1)

Напряжение  удобно выражать в киловольтах, толщину  - в миллиметрах, а прочность  – в киловольтах на миллиметр. Если пробой произошел в газообразных и жидких диэлектриках, то благодаря подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. Пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции ЭУ. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока утечки допустимым пределом. Определение прочности  производится стандартными методами, что позволяет сравнивать электрические свойства диэлектриков. Пробой жидких диэлектриков возникает в результате электрических, тепловых и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля электроустановки.

Природа электрического пробоя жидких диэлектриков зависит от их чистоты (примесей). Процесс пробоя начинается с инжекции в диэлектрик электронов с катода и образования электронных лавин. Возникают подобные стримеру в газах образования, которые в результате процессов фотоионизации перемещаются от анода к катоду со скоростью м/с. Пробой завершается, когда плазменный канал замыкает электроды диэлектрика. Энергию достаточную для ионизации электроны приобретают при напряженности  в 100 раз большей, чем газах.

Чистые жидкие диэлектрики получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические частицы. Наличие примесей усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов потери электрической прочности. В максимально очищенных от примесей жидких диэлектриках при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов изделия и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газами обусловлена меньшей длиной свободного пробега электронов.

Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, которое приводит к образованию газового мостика между электродами диэлектрика. Практика эксплуатации электроустановок свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическую прочность жидких диэлектриков. Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсным напряжением.

Пробой материалов при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности поля для жидких диэлектриков на больших частотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте.

Различают два типа масла: свежее (регенерированное сухое) и эксплуатационное. Нормы параметров различны для свежего масла и эксплуатационного. В электрооборудование, например, трансформаторы, заливают регенерированное или свежее масло. В процессе эксплуатации его качество ухудшается. Масло теряет свою прозрачность, темнеет, в нем образуются механические примеси, взвешенный уголь, кислоты и смолы. Происходит старение трансформаторного масла.

Для высоковольтных масляных трансформаторов, выключателей и изоляторов применяется масло одной марки. Нормы электрической прочности масел зависят от рабочего напряжения электроустановок. Для конденсаторов и кабелей высокого напряжения применяются масла, очищенные веществами, удаляющими примеси или адсорбентами. Такие масла имеют улучшенные электрические свойства.

При повышении температуры даже хорошо очищенные масла окисляются. При доступе воздуха заметное окисление происходит при температуре 70°-80°С. Окислению масла способствуют некоторые металлы и сплавы, например: медь, латунь, свинец. Ускоренное старение масла вызывает контакт с некоторыми твердыми диэлектриками, например, с лаковыми тканями, лаковыми пленками на обмотках. При длительном контакте с такими диэлектриками в масло проникают (диффундируют) содержащиеся в них органические кислоты. Для повышения стабильности масел используют присадки-ингибиторы, замедляющие процесс окисления диэлектриков.

Свойства трансформаторного масла должны соответствовать требованиям ГОСТ. Масло гигроскопично. Чаще всего вода в масле может быть в виде мельчайших взвешенных частиц (эмульсии) и в виде избыточной воды (осадка), которая не смешивается с маслом и осаждается на дно емкости. Примесь воды в масле даже в количестве 0,001% снижает электрическую прочность масла.

Волокнистые примеси в еще большей степени снижают электрическую прочность жидких диэлектриков. Они более гигроскопичны, чем масло, и впитывая в себя влагу, становятся полупроводящими частицами, образуя токопроводящие каналы. Взвешенный уголь служит хорошим проводником. Частицы угля оседают на изоляторах или на других погруженных в масло деталях электрооборудования, создают проводящие слои, которые могут быть причиной перекрытия и коротких замыканий в электроустановках.

Масло, качество которого снизилось вследствие старения и загрязнения, подвергают очистке. Очищенное и находящееся в эксплуатации масло подвергается лабораторным испытаниям. Существует два вида определения свойств жидких диэлектриков: полный и сокращенный анализ. Масло должно подвергаться лабораторным испытаниям в процессе эксплуатации электроустановок.

Сроки испытаний: не реже 1 раза в 5 лет для трансформаторов мощностью выше 630кВА, работающих с термосифонными фильтрами (сокращенный анализ) и не реже 1 раза в 2 года для трансформаторов, работающих без термосифонных фильтров, после капитальных ремонтов трансформаторов. Для технически чистых масел пробивное напряжение в стандартном разряднике составляет 50 – 60кВ при частоте 50Гц и примерно 120кВ при воздействии импульсного напряжения.

В маслах нормируют содержание примесей, особенно с наиболее опасными размерами частиц от 2 до 10мкм, присутствующих в наибольших количествах. Микрочастицы в маслах резко снижают срок службы электрооборудования. Снижение температуры масла в пределах + 20 до -50С приводит к уменьшению электрической прочности, тогда как дальнейшее снижение от – 5 до – 450С приводит к росту прочности.

Такие изменения электрической прочности объясняются различным агрегатным состоянием воды в масле, образованием кристаллов льда и ростом вязкости трансформаторного масла.

При эксплуатации силовых трансформаторов большое влияние на электрическую прочность масла оказывают примеси воды в эмульсионном состоянии. Вода, в трансформаторном масле в виде эмульсии, образует капли диаметром м. В электрическом поле трансформатора сферические водяные включения втягиваются в пространство между электродами (фазами) и деформируются. При деформации водяных включений образуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются, притягиваются друг к другу и, сливаясь, могут образовать между фазами «мостики» с малыми сопротивлениями, с последующим разрядом (пробоем). Электрическая прочность масла уменьшается, что может привести к короткому замыканию между фазами трансформатора.

Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсным напряжением. Пробой материалов при повышенных частотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что приводит к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности электрического поля для жидких диэлектриков на высоких частотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте.

С увеличением энергии электрических разрядов глубина химического разложения масла возрастает, уменьшается интенсивность газопоглощения, увеличивается скорость выделения газов и образования углеродистых остатков (взвешенного углерода). При большой энергии электрических разрядов масло становится газвыделяющим (искра, пробой, электрическая дуга). Его дальнейшее разложение происходит с образованием горючих газов, низкокипящих жидких углеводородов, углеродистых частиц.

При отсутствии контакта масла с воздухом при температурах до 950С (окисления масла при этом не происходит) без воздействия электрического поля металлические части трансформатора практически не окисляются и не влияют на параметры масла.

В пропитанных маслом электроустановках рассчитанных на длительный срок службы без замены диэлектрика, все медные токоведущие части лудят, цинкуют или никелируют.

Для продления срока службы электроизоляционных масел, помимо применения присадок, замедляющих старение масла, используют различные методы, обеспечивающих защиту масла от непосредственного контакта с воздухом и его влагой (герметизация оборудования). Герметизацию используют в трансформаторах. При эксплуатации кабелей и конденсаторов замены и регенерации масла не производят.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторный стенд состоит из электрооборудования напряжением выше 1кВ и элементов схем управления, измерения и набора приспособлений. К элементам стенда относятся:

высоковольтный аппарат для испытания изоляции типа АИИ-70 (рисунок 3);

мерная емкость (сосуд) аппарата АИИ-70 для испытания жидких диэлектриков (рисунок 4);

приспособление для определения наличия взвешенного угля;

наборы емкостей с образцами трансформаторного масла.

Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема высоковольтный аппарат для испытания изоляции типа АИИ-70

Аппарат для испытания изоляции для определения напряжения пробоя трансформаторного масла и испытания изоляции кабелей. Наибольшее напряжение при испытаниях на переменном токе – 50кВ и 70кВ на постоянном. Мощность высоковольтного трансформатора TV1 составляет 2кВА.

Мерная емкость (сосуд) для трансформаторного масла показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Емкость аппарата АИИ-70 для испытания жидких диэлектриков, где 1 – латунные шлифованные полусферические электроды диаметром 25мм с креплениями; 2 – масло объемом 100 – 200см3

Работа лабораторной установки с устройством АИИ-70. Аппарат АИИ-70 находится в лаборатории отдельно за специальным защитным ограждением, снабжен пультом управления и заземляющей штангой. Напряжение от сети (контакты Х1 – Х2) через блокировочные контакты двери ограждения SF2 и предохранители F1, F2 поступает на вход регулировочного автотрансформатора TV2. Регулируемое напряжение от TV2 через автоматический выключатель SF1 подается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора TV1 и конденсаторы C1, C2.

Переключатель S1 служит для установки защиты автоматического выключателя SF1 в положение «чувствительная» или «грубая». Высокое напряжение от трансформатора TV1 через ограничительное сопротивление R может быть использовано как для испытания переменным напряжением твердых диэлектриков, так и для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

На первом этапе лабораторных испытаний необходимо определить отсутствие в пробах трансформаторного масла:

взвешенного углерода;

избыточной воды;

механических примесей;

замутненных участков.

1. Содержание взвешенного углерода. Испытания проводятся в специальном приспособлении, представляющем собой стеклянную банку. К одной стенке банки с внешней стороны прикрепляется лист кальки с нанесенными черной тушью тремя линиями различной толщины: 1мм; 0,5мм; 0,1мм. Банка с маслом помещается в фанерный ящик, в котором имеется подсветка и смотровая щель.

Наличие взвешенного угля определяют просвечиванием слоя масла толщиной 10см электрической лампой. Лампу устанавливают в вертикальном выступе ящика. Линии на листе просматривают сквозь щель ящика. Количество взвешенного углерода в масле оценивается по следующим трем группам:

первая группа – видны три линии (0,1; 0,5 и 1,0мм) четко (угля в масле нет);

вторая группа - вторая линия (0,5мм) видна нечетко (масло нужно фильтровать);

третья группа - видна только одна линия (1мм) масло нужно заменить.

2. Наличие избыточной воды. Присутствие воды определяют по мути, заметной при рассмотрении на свет масла, налитого в тонкую стеклянную пробирку. Капельки воды появляются также на дне сосуда после отстаивания масла в течение 15...20мин. Если вода содержится в масле в виде эмульсии, то ее можно обнаружить следующим образом. Залить масло в чистую пробирку и нагреть или опустить в него нагретый металлический прутик. Появление характерного потрескивания указывает на присутствие влаги.

3. Прозрачность и наличие механических примесей. Данные общефизические свойства трансформаторного масла определяют по мути и осадкам на дне, которые видны при рассмотрении на свет масла, налитого в тонкую стеклянную пробирку

На втором этапе лабораторных испытаний определяют электрическую прочность трансформаторного масла.

1. Методика определения электрической прочности масла стандартизирована. При этом необходимо выполнять следующие условия:

использовать латунные или медные шлифованные полусферические электроды диаметром 2,5мм;

зазор между электродами устанавливать равным 2,5 + 0,05мм;

испытуемое масло брать в объеме 100-200см ;

напряжение поднимать со скоростью 1-1,5кВ в секунду;

произвести 6 пробоев, первый из которых не учитывать;

пробой устанавливать по возникновению непрерывной электрической дуги между электродами.

2. Подготовка к испытаниям. Перед началом опыта необходимо:

вынуть специальный сосуд из аппарата АИИ 70 и проверить наличие зазора между электродами (2,5мм);

промыть сосуд чистым трансформаторным маслом;

залить в емкость масло в таком количестве, чтобы электроды были покрыты слоем масла не менее чем на 15мм;

выдержать залитое в сосуде масло в течение 10мин для того, чтобы пузырьки воздуха всплыли на поверхность;

поместить сосуд с маслом в аппарат АИИ-70 и закрыть крышку;

проверить положение ручки регулировочного автотрансформатора TV1 (крайнее левое положение);

установить переключатель SA1 защиты аппарата в положение «чувствительная».

3. Проведение испытаний. Проверка электрической прочности проводятся в следующей последовательности:

подключить аппарат АИИ-70 к сети (загорится зеленая лампа HLR «сеть»);

вращая ручку регулировочного трансформатора вправо, повысить напряжение со скоростью 1кВ в секунду до наступления пробоя, непрерывно наблюдая за показаниями вольтметра;

снять показание вольтметра предшествующее пробою и записать его в таблицу 1;

установить ручку регулировочного автотрансформатора аппарата TV1 в исходное положение (крайнее левое положение);

отключить аппарат от сети и открыть крышку;

удалить уголь, образовавшийся между электродами, чистой стеклянной палочкой, которая хранится в масле;

испытания масла провести 6 раз с интервалом 5-10 минут.

Таблица 1 – Параметры и результаты испытаний шести проб трансформаторного масла

Показатели

Результаты

 

Unp2

 

Unp3

 

Unp4

 

Unp5

 

Unp6

 

Unp cp

 

Enp cp

 

Прозрачность

Механические примеси

Взвешенный углерод

Избыточная влага

Примечания

 1. По методике испытаний показатель  в таблицу не заносится.

2. Показатель «прозрачность» - оценивается по критерию «норма» или «не норма», а остальные – «присутствуют» или «отсутствуют» в пробе.

4. Провести оценку данных полученных экспериментальным путем (таблица 1) и справочных сведений.

5. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Фамилию студента и номер учебной группы.

Методы определения электрической прочности диэлектрических материалов электроустановок в различных агрегатных состояниях.

Методы определения электрических и общих физических свойств жидких диэлектриков.

5. Описание лабораторной установки и приспособлений для определения электрической прочности и других свойств жидких диэлектрических материалов электроустановок.

6. Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.

7. Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.

8. Обоснованные выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие параметры характеризуют явление пробоя диэлектрического материала?

2. Почему для сравнения свойств различных диэлектрических материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность?

3. Какой формулой и размерностью входящих в нее параметров характеризуется электрическая прочность диэлектриков?

4. Какая разница между пробоем диэлектрика находящегося в газообразном, жидком или твердом состоянии?

5. Почему чистые жидкие диэлектрики получить очень трудно?

6. Чем объясняется пробой технически чистых жидких диэлектриков?

7. Чем обусловлен пробой диэлектрических материалов при повышенных частотах?

8. Что происходит с регенерированным (свежим) трансформаторным маслом при эксплуатации электроустановки?

9. Что происходит со свежим трансформаторным маслом при эксплуатации электроустановки, если к нему есть доступ воздуха?

10. К каким явлениям приводит снижение или повышение температуры трансформаторного масла?

11. Что происходит с увеличением энергии электрических разрядов в трансформаторном масле?

12. Какие методы защиты используют для продления срока службы электроизоляционных масел?

Математика примеры решения задач