Учебно-методический комплекс по дисциплине «Электротехнические материалы»



страница10/11
Дата01.08.2016
Размер1.86 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Испытания материалов



15.1. Подготовка образцов и условийиспытания.

15.2. Поддержание контроль условийиспытания.

15.3. Электрическиеиспытания.

15.3.1.Определение общих и удельных сопротивлений образцов.

15.3.2. Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на низких частотах.
15.3.3. Определение электрической прочности.
15.3.4. Определение стойкости к внешним электрическим воздействиям.
15.3.5. Определение параметров статической электризации.


15.4. Тепловые испытания.

15.5. Механические испытания.

15.1. Подготовка образцов и условия испытаний



Условиями окружающей среды при проведении испытаний называют сочетание температуры и относительной влажности воздуха или температуры и жидкости, в которых находится образец.

Подготовка образцов преследует две цели - устранить предшествовавшие испытанию воздействия среды и стабилизировать свойства материала. Этим целям служат нормализация и кондиционирование.



Нормализация - предварительная обработка образцов твердых электроизоляционных материалов в течение определенного времени и при определенных условиях окружающей среды с целью устранения или частичного снижения предшествующего состояния материала. Если стандартом на материал не предусмотрены особые условия нормализации, то она заключается в выдержке образца в течение 24 ч при 50 ºС и относительной влажности не более 20%.

Кондиционирование - вторичная обработка образцов в определенных условиях в течение определенного времени с целью стабилизации свойств материала.

Условия нормализации, кондиционирования и испытаний указываются в стандартах на материал и должны выбираться из ряда, определенного в ГОСТ 6433.1-71.

В течении этих процессов к образцам должен быть обеспечен свободный доступ окружающей среды. Образцы не должны соприкасаться со стенками камеры или друг с другом. Время между кондиционированием и испытанием не должно превышать, как правило, 5 мин. В тех случаях, когда температуры при подготовке и испытаниях различны, необходимо довести температуру образца до испытательной и выдержать его при этой температуре.

15.2. Поддержание и контроль условий испытания.


При подготовке и проведении испытаний требуется соблюдать определенные значения температуры среды, в которой находится образец. Для этой цели применяют термостаты (термокамеры) или криостаты. В зависимости от диапазона рабочих температур они делятся на термокамеры (20-400 ºС), электропечи (до 1000 ºС и выше) и криостаты для создания отрицательных температур. Регулировка температуры осуществляется, как правило, автоматически. Во всем рабочем объеме камеры температура должна быть по возможности одинаковой, чувствительный элемент датчика должен быть помещен возможно ближе к образцу. Может применяться принудительная циркуляция воздуха при помощи вентилятора.

Существуют также термовлагокамеры, позволяющие получить не только заданную температуру, но и необходимую влажность. Эти камеры оборудованы специальным испарителем, размещенным в нижней части камеры. Для испытаний малых образцов могут применяться эксикаторы, где требуемая влажность достигается химическим путем, для снижения влажности в эксикатор помещают вещества, поглощающие влагу, например: фосфорный ангидрид, силикагель и пр., при этом достигается близкая к нулю влажность. Влажность от 50 до 100% получают, помещая в камеру насыщенные растворы в воде различных веществ.

 

15.3. Электрические испытания.


 

15.3.1. Определение общих и удельных сопротивлений образцов.


 

Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то по нему будет протекать ток утечки. Постоянная составляющая этого тока называется сквозным током и может быть представлена в виде двух составляющих: поверхностного сквозного тока, протекающего по тонкому электропроводящему слою влаги с растворенными в ней веществами, образовавшимся в результате взаимодействия со средой, и объемного сквозного тока, т.е. тока, проходящего через объем материала.

Этим двум составляющим тока соответствуют два сопротивления: поверхностное электрическое сопротивление диэлектрика Rs - отношение приложенного напряжения к поверхностному току, и объемное электрическое сопротивление диэлектрика R - отношение приложенного напряжения к объемному току. Соответственно, обратные этим сопротивлениям величины называются поверхностной и объемной проводимостями. Эти характеристики диэлектрика зависят как от материала диэлектрика, так и от геометрических размеров образца.

Более удобными в применении являются удельные поверхностное и объемное сопротивления. Удельное объемное сопротивление r [Ом·м]- это величина, равная отношению напряженности электрического поля E внутри образца к плотности тока J, проходящего через объем образца.



Под удельным поверхностным сопротивлением rs [Ом] понимают поверхностное сопротивление плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата.

Форма и размеры образцов испытуемых материалов зависит от измеряемой величины. Образцы для определения объемного и поверхностного сопротивлений производят на плоских (круглых или квадратных) или трубчатых образцах.


 



D=5




15

Внутреннее сопротивление определяют на плоских образцах с двумя несквозными отверстиями.

Сопротивление изоляции измеряют на плоских, трубчатых или стержневых образцах.

Число испытуемых образцов должно быть не менее трех.

Электроды для испытания твердых диэлектриков должны удовлетворять следующим условиям: обладать высокой проводимостью и обеспечивать хороший электрический контакт по всей поверхности соприкосновения с образцом, не влиять на образец (не деформировать, не оказывать химического воздействия).

Металлические нажимные электроды применяют для измерения объемного и поверхностного удельных сопротивлений. Представляют собой систему из трех электродов: измерительного, напряжения (высоковольтного) и охранного.


 


 

Напряжение прикладывается между измерительным электродом и электродом напряжения и измеряется ток в их цепи, охранный электрод служит для уменьшения краевых эффектов, он заземляется. В зависимости от измеряемой величины электроды выполняют различные функции.

 


№ электрода на рис.

R и r

Rs и rs

1

Охранный

Напряжения

2

Измерительный

Измерительный

3

Напряжения

Охранный

Контакт с материалом создается прижатием давлением 10±0,2 кПа. Эти электроды применяют при испытаниях всех твердых, а также эластичных материалов при температурах -60...+250 С.

 

Фольговые электроды применяют для определения удельных сопротивлений и сопротивления изоляции. Их выполняют из отожженной алюминиевой, оловянной или свинцовой фольги толщиной от 5 до 20 мкм. Контакт обеспечивается путем притирания с помощью тонкого слоя трансформаторного масла, кремнийорганической жидкости. Толщина смазки не должна превышать 1 мкм. Контакт также может быть создан прижатием через резину давлением 10±0,2 кПа, если в стандарте на материал не оговорено иное значение. Способы закрепления фольги на резине для внутреннего и наружнего электродов показаны на рисунке.


 
Электроды из осажденных металлов представляют собой плотно прилегающие пленки драгоценных или цветных металлов. Нанесение производится с помощью следующих операций: нанесение распылением в вакууме, нанесение шоопированием, нанесение кистью (разнообразные пасты).

Графитовые электроды применяют в виде жидкой суспензии водной или на лаке или в виде порошка графита. Электроды из суспензии на воде применяют для испытаний негигроскопичных материалов. Наносят с помощью кисти, после чего сушат. Графитово-лаковые суспензии наносят пульвелизатором через трафарет. После сушки толщина нанесеного покрытия должна быть примерно 0,1 мм. Сопротивление слоя из лакографита не должно превышать 100 Ом. Способ получения электродов из порошка графита показан на рисунке. Графит уплотняют давлением 10 кПа.


 


Помимо названных применяются также следующие виды электродов: штифтовые, ленточные, ножевые, брусковые, ртутные и на основе токопроводящей резны.

 

Измерительные ячейки для определения удельного сопротивления жидких материалов. Удельное объемное сопротивление жидких диэлектриков определяют на образцах объемом не менее 50 см2, число проб - не менее двух. Измерительная ячейка представляет собой двух- или трехэлектродную систему с плоскими или цилиндрическими электродами. Схематичный вид трехэлектродной ячейки изображен на рисунке.


 
 

Методы и средства измерения сопротивлений.

Сопротивление образца может быть измерено прямо или косвенно. В первом случае применяют электронные омметры (мега-, тераомметры), реже мосты постоянного тока, значения сопротивления считывается сразу со шкалы прибора. При косвенных измерениях сопротивление определяют расчетным путем по результатам измерения тока, протекающего в образце, при известном значении напряжения, приложенного к образцу.

Независимо от метода измерения и применяемых средств при определении сопротивления материала необходимо выполнить ряд требований. Погрешность измерения сопротивления не должна превышать ±5, ±10, ±15% при измерении сопротивлений до 109, 109-1013, более 1013 Ом соответственно. Измерение сопротивления должно выполняться при постоянном напряжении, погрешность измерения напряжения не более 2%.

Электронные магаомметры и тераомметры. Представляют собой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, охваченный глубокой обратной связью, в прямую или обратную цепь которого включается измеряемое сопротивление.

Схемы измерения объемного и поверхностного сопротивлений, где Л- высокоомный входной зажим, К - входной зажим, Э - экран (электрический нуль прибора):


 


Различные типы мегаомметров и тераомметров обеспечивают различные пределы измеряемых сопротивлений и погрешностей измерения.

 


 
Мосты постоянного тока. Применяют для точных измерений сопротивлений в тех случаях, когда измерительное напряжение на образце по условиям испытаний не должно превышать 100 В. Схема включения:

Здесь: R3 - неизменно, R2 - регулируется плавно и R3 - дискретно. Класс точности 0,05 - 10 в зависимости от диапазона.

 

Косвенные методы измерения сопротивлений. Наибольшее распространение получил метод измерения тока, протекающего через исследуемый образец при фиксированном напряжении на образце.

Для получения требуемой точности измерения Rx погрешность установки напряжения U не должна превышать 0,5%, такой же должна быть погрешность шунта, погрешность резистора R0 - 1%:








 
 

Отсчет показаний гальванометра должен производиться после определенной выдержки после подачи напряжения, что вызвано установлением сквозного тока. Сопротивление R0 порядка 107 Ом.

 

Расчет удельных электрических сопротивлений.

r = RS/l, где R - измеренное объемное сопротивление, S - эффективная площадь измерительного электрода, l - средняя толщина образца.


15.3.2. Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на низких частотах.

Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эквивалентной последовательной или параллельной схемы:


 
 

Независимо от выбора схемы сдвиг фазы j, ток I, напряжение U и диэлектрические потери P неизменны. Для последовательной схемы справедливы следующие соотношения:

tg d = w Cs Rs; P = I2 Rs = U2 w Cs tg d / ( 1 + tg2 d)

 

Для параллельной схемы:



tg d = 1 / ( Rp w Cp); P = U2 w Cp tg d.

При tg d << 0,1 :

Cs = Cp; Rs = Rp tg2d.

Емкость Cp в параллельной схеме обычно принимают за емкость Сx образца или изделия. Диэлектрическая проницаемость материала образца er может быть найдена как отношение емкости Cx при заданной конфигурации электродов и испытаемом материале в качестве диэлектрика к емкости С0 тех же электродов без образца в вакууме:

er= Cx / C0;

Величина tgd может быть определена по приведенным выше формулам.

Для определения tgd и er твердых материалов используют те же электроды, что и при определении удельных сопротивлений, за исключением электродов из порошка графита.

 

Методы и средства измерений емкости и tgd при низких частотах.


 
Применяют как прямые, так и косвенные методы. В основном используются мостовые схемы переменного тока, например:

Уравнения равновесия моста:

Cx = R1 C0 / R2; tg d = w R1 C1.

 

Определение диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь на высоких частотах имеет особенности, связанные с ростом влияния краевых эффектов, индуктивностью подводящих проводов и т.д. На частотах свыше 400 Гц выполняют измерения мостовым и резонансным методами.



 

Измерение температурного коэффициента емкости основано на измерении изменении частоты генератора при изменении температуры образца, включенного в качестве частотозадающей емкости.

 

15.3.3. Определение электрической прочности.


 

Под действием напряжения, приложенного к диэлектрику, в нем может произойти сквозной электрический разряд. Образование в диэлектрике проводящего плазменного канала под действием электрического поля называется электрическим пробоем. 

Минимальное напряжение, вызывающее электрический пробой, называют пробивным напряжением. 

От пробоя, сопровождающегося сквозным разрядом, следует отличать поверхностный пробой, при котором разряд не проникает в глубь материала, а распространяется по поверхности.

Стойкость материала к действию высокого напряжения характеризуют значением электрической прочности Епр, под которой понимают минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящего к пробою.

Для однородного поля:

Eпр = Uпр / l.

Где Uпр - пробивное напряжение, В, t -толщина материала., м.

 

Получение однородного поля требует применения электродов специальной формы, на практике применяют электроды более простых форм: в виде дисков с закругленными краями, сферические и т.п. Поле получается неоднородным, что приводит к уменьшению пробивного напряжения, поэтому вводят поправочный коэффициент a > 1 :



Епр = a Uпр /l.

Значение этого коэффициента должно указываться в стандарте на материал. При использовании листовых образцов однородное поле получается только в средней части образца между электродами, у краев поле искажается. Для устранения краевого и поверхностного пробоев образец с электродами помещают в трансформаторное масло.

Электрическая прочность, определенная в результате испытаний, не является физической характеристикой материала, так как зависит от ряда факторов (температура, влажность, форма электродов и т.п.). Поэтому полученные результаты служат лишь для контроля качества и сравнения материалов между собой.

Образцы материалов должны иметь размеры, значительно превышающие размеры электродов, чтобы предотвратить возникновение поверхностного пробоя. Для слоистых материалов Епр определяется как в направлении вдоль слоев, так и в перпендикулярном поверхности.

Электроды могут применяться массивные металлические (сталь, медь, латунь), пленочные или графитовые. Во всех случаях необходимо обеспечить хороший контакт электрода с испытуемым образцом. Рабочие поверхности металлических электродов должны быть гладкими (параметр шероховатости Ra <=0.2 мкм).


Дляопределения Епр вдоль слоев твердогоматериала

  
Для получения поля, близкого к однородному, диаметр нижнего электрода должен не менее чем в 3 раза превышать диаметр верхнего электрода. Больший из электродов соединяется с заземленным выводом обмотки высоковольтного тр-ра.

Определение Епр жидких диэлектриков производят в специальных ячейках, представляющих собой сосуд, в стенку которого вмонтированы полусферические электроды.

 


Измерение при 50 Гц с помощью испытательных установок:    
Измерение Uпр производится также и при постоянном напряжении. В этом случае используют схемы с выпрямлением, с умножителями напряжения.

Измеряют Uпр и при импульсном напряжении. Различают грозовые импульсы и коммутационные импульсы. Коммутационные импульсы могут быть как апериодическими, так и колебательные.

В качестве источников импульсов используются специальные генераторы импульсных напряжений (ГИН).

 

Проведение испытаний.

В основном используют две технологии: испытания производят при плавном или ступенчатом повышении напряжения. В обоих случаях первоначально определяют Uпр при плавном повышении напряжении. Скорость должна быть такой, чтобы пробой происходил через 10 - 20 с после начала подъема.

Если испытания производят при ступенчатом повышении напряжения, то вначале устанавливается 40% от Uпр. После этого напряжение поднимают ступенями по 10%, выдерживая на каждой ступени напряжение в течении 20 с.

Материалы можно разделить на два вида - восстанавливающие свой свойства после пробоя, и не восстанавливающие. В любом случае число пробоев должно быть не менее 5. При испытании жидкостей недопустимо нахождение пузырьков в пространстве между электродами.

 

15.3.4. Определение стойкости к внешним электрическим воздействиям.


 

Определение дугостойкости электроизоляционных материалов. Под дугостойкостью понимают способность диэлектрика выдерживать воздействие электрической дуги без недопустимого ухудшения его свойств.

Различают стойкость электроизоляционных материалов к действию эл-й дуги при высоком (свыше 1000 В) переменном напряжении и малых токах и при воздействии дуги, создаваемой постоянным напряжением до 1000 В. Существующие методы испытаний не дают возможности распространить результаты испытаний, проводимых в условиях лабораторий, на рабочие условия применения материалов при наличии грязи, пыли, влаги. Выбор метода испытаний зависит от особенностей испытуемого материала, его назначения и т.д.



Определение стойкости к воздействию электрической дуги напряжения переменного тока.


 


Два электрода, к которым приложено переменное напряжение, располагают достаточно близко к поверхности образца. Возникающая дуга воздействует на испытуемый материал и вызывает возникновение токопроводящей перемычки между электродами.

 

Вследствие шунтирования воздушного промежутка перемычкой дуга гаснет. Т.о. момент появления перемычки фиксируется по погасанию дуги. Параметрами дугостойкости является в данном случае ток Iд и время tд, необходимое для образования перемычки. Толщина образцов не менее 3 мм. Напряжение на электродах 12,5 кВ при токе от 10 до 100 мА.



 

Определение стойкости к действию электрической дуги напряжения постоянного тока.

Эту характеристику принято характеризовать качественно. Воздействуют дугой напряжением 220 В между электродами. Дуга возбуждается между двумя неомедненными угольными электродами. После подачи напряжения электроды раздвигают до 20 мм, снимают напряжение, через 1 мин подают напряжение и проверяют существование проводящей перемычки. Материал относят к одному из 6 классов.

 

Определение характеристик короностойкости.


 


Короностойкостью называется способность диэлектрика выдерживать воздействие коронного разряда без недопустмого ухудшения его свойств. Корона ограничена сравнительно узкой областью, прилегающей к электроду. Под действием короны происходит эрозия материала. Установка имеет вид:

Параметры для сравнительной оценки материалов в условиях короны: Ua - минимальное напряжение, при котором наблюдается корона, Uкор - напряжение, при котором процесс заканчивается пробоем образца через определенное время tкор. Сущность метода - прикладывают напряжение, достаточное для возникновения короны и выдерживают его до пробоя образца.

 

Определение характеристик трекингостойкости.

Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя, вызывающее образование проводящих следов, называют трекингом диэлектрика., а способность выдерживать поверхностные пробои без трекинга - трекингостойкостью. Трекинг возникает при наличии загрязнений на поверхности материала. Влага под воздействием тока испаряется неравномерно, где проводящая пленка обрывается, возникает искра, вызывая образование проводящих каналов - треков.

Применяют методы каплепадения, стекающей пленки жидкости, метод пыли и тумана.



Определение параметров воздействия внутренних частичных разрядов.

ЧР возникают в местах с пониженной электроизоляционной стойкостью, например, в газовых включениях. Длительное воздействие ЧР может привести к пробою изоляции. Также является параметром качества материала. Для оценки вводятся характеристики интенсивности единичного ЧР (кажущийся заряд qчр, энергия единичного ЧР) и интенсивность ЧР в течении определенного интервала времени. Каждый ЧР вызывает кратковременное изменение напряжения на электродах. Кажущийся заряд численно равен такому заряду, который будучи мгновенно введенным между выводами объекта, вызовет такое же мгновенное изменение напряжения, как и реальный ЧР. Выражается в кулонах.

Энергия единичного ЧР:

Wчр = qчр Uчр.



Напряжение, при котором возникают начальные ЧР, называется начальным. 

При дальнейшем увеличении напряжения в определенный момент интенсивность ЧР резко возрастает из-за изменения структуры диэлектрика (образование дендрита в твердом диэлектрике, пузырьков газа в пропитанной изоляции). Такие ЧР называются критическими и соответственно напряжение - критическим.

Средний ток I чр - сумма абсолютных значений кажущихся зарядов за одну секунду.

Большое распространение получили электрические методы определения ЧР - косвенные и прямые.

Один из косвенных методов определения ЧР - снятие зависимости tgd от приложенного напряжения. Если кривая не растет - нет ЧР, растет до какого-то уровня и не увеличивается - локальные включения, не увеличивающиеся с ростом напряжения, растет - количество включений увеличивается до пробоя.

Прямой метод регистрации ВЧ колебаний в цепи при возникновении ЧР.

Существуют поверхностные ЧР (около острых краев электродов). В литературе часто их называют коронным разрядом.

 

15.3.5. Определение параметров статической электризации.


Статическая электризация - способность материалов при определенных условиях накапливать заряды статического электричества. 

Электризация возникает при трении, распылении материала, коронном разряде вблизи поверхности. При этом повышается пожаро- взрывоопасность производства. Антистатические свойства, т.е. пониженную способность к электризации можно оценить путем измерения плотности и знака заряда и скорости его спадания со временем. С другой стороны, чем ниже удельное поверхностное и удельное объемное сопротивление, тем меньше накапливающийся при электризации заряд. При испытании образец закрепляют вблизи коронирующего стандартного электрода, напряжение подают на 15 с, затем образец перемещают к измерителю электростатического поля и измеряют полупериод утечки заряда - время спада заряда наполовину.

 



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница