Удельное сопротивление является основной электрической характеристикой всякого электротехнического материала (проводникового, электроизоляционного и полупроводникового). Оно вычисляется по формуле:
У проводниковых материалов (металлических проводников) удельное сопротивление определяется наиболее просто. Для этого берут отрезок проволоки (рис 55), имеющий площадь поперечного сечения S и длину l. Измерив общее сопротивление R этого отрезка, вычисляют значение удельного электрического сопротивления по формуле.
Рис. 55. Отрезок металлического проводника с постоянной по длине площадью поперечного сечения.
Для измерения удельного сопротивления проводников принята единица Оммм2/м. Единицей измерения удельного сопротивления электроизоляционных материалов является омосантиметр (Омсм). Эта единица в 10000 раз больше Оммм2/м, т.е.
1 Омсм=10000 .
Величину удельного объемного сопротивления электроизоляционных материалов определяют посредством измерения тока IU протекающего через объем испытуемого образца диэлектрика. Принципиальная схема установки для измерения тока объемной утечки через диэлектрик представлена на (рис. 56(а).). Здесь напряжение (U) подводится к нижнему 1 и к верхнему 2 металлическим электродом, плотно прилегающим к поверхности образца твердого диэлектрика. В качестве образцов используют диски диаметром от 25 до 100 мм или пластины квадратной формы со сторонами 50 или 100 мм. Толщины образцов может колебаться от нескольких сотых миллиметра (лаковые пленки) до нескольких миллиметров (пластмассы, керамика и др.).
Кроме нижнего электрода 1 и верхнего 2, образец диэлектрика снабжают еще кольцевым (охранным) электродом 3 (рис. 56(б).). С помощью этого электрода и провода а (см. рис. 56(а).) отводится от гальванометра G ток поверхностной утечки Is, так как для вычисления удельного объемного сопротивления необходимо измерить только ток объемной утечки IU. Последний определяют при приложении к электродам 1 и 2 постоянного напряжения U, которое измеряют при помощи вольтметра V. Общее объемное сопротивление образца диэлектрика согласно закону Ома:
Ом.
Удельное объемное сопротивление диэлектрика вычисляют по формуле
Омсм,
где S – площадь верхнего электрода, см2; h – толщина диэлектрика, см, через которую проходит ток объемной утечки.
Значения удельного объемного сопротивления у электроизоляционных материалов находится в пределах:
Омсм
и выше.
Рис. 56(а). Принципиальная схема установки для измерения тока объемной утечки через диэлектрик.
Рис. 56(б). Образец диэлектрика, снабженный
тремя электродами, для определения
удельного объемного сопротивления:
1-нижний электрод,2-верхний электрод,
3-кольцевой (охранный) электрод
Удельное поверхностное сопротивление можно определить при измерении тока поверхностной утечки Is между двумя металлическими электродами 1 и 2 (рис.57),установленными на поверхности диэлектрика параллельно один другому.
Электроды шириной b, установленные на расстоянии, а один от другого, должны плотно прилегать к поверхности испытуемого диэлектрика.
Образец диэлектрика с двумя расположенными на его поверхности ножевидными электродами 1 и 2 включается под постоянное напряжение по схеме, показанной на рисунке. Между электродами 1 и 2 по поверхности диэлектрика будет протекать ток, который измеряют при помощи гальванометра G. Вольтметр V позволяет измерить напряжение, приложенное к электродам 1 и 2 (рис.56(а).). В начале по закону Ома подсчитывают общее сопротивление RS поверхности диэлектрика между электродами 1 и 2:
Величина удельного поверхностного сопротивления определяется из общей формулы для подсчета удельного сопротивления:
Ом.
Рис.57 Металлические (ножевидные) электроды, установленные из поверхности диэлектрика, для определения удельного поверхностного сопротивления.
.
Рис.58. Схема включения образца диэлектрика
двумя для измерения тока поверхности утечки.
Для нашего случая длина пути утечки тока по поверхности образца диэлектрика равна расстоянию между электродами, т.е. =а. Вместо сечения S здесь приходится принять ширину электрода b, т.е. S = b. Тогда величина удельного поверхностного сопротивления определится по формуле
ом.
Рассмотренный способ определения удельного поверхностного сопротивления весьма прост, но вносит значительные погрешности вследствие измерения гальванометром не только токов поверхностной утечки, но также и токов объемной утечки, которые в этом случае не отводятся от гальванометра.В таком методе имеются и другие причины, приводящие к погрешностям измерения.
Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков обычно определяется на тех же образцах, что и удельное объемное сопротивление, но в качестве охранного электрода используется нижний электрод 1 (рис.59).
Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной утечки IS на образце диэлектрика с концентрически расположенными электродами 2 и 3 показана на (рис.59). В этой установке гальванометр G измеряет токи, протекающие по поверхности диэлектрика (в кольцевом слое) от электрода 2 к электроду 3. Токи же объемной утечки IU поступают на нижний электрод 1 и отводятся от гальванометра по проводу а. При помощи вольтметра V измеряют напряжение между электродами 2 и 3.
Здесь также вначале подсчитывают величину общего поверхностного сопротивления RS кольцевого слоя между концентрически расположенными электродами 2 и 3 (по закону Ома):
Величина же удельного поверхностного сопротивления подсчитывается по общей формуле
Для этого случая длина пути утечки тока l по поверхности диэлектрика будет равна ширине зазора между электродами 2 и 3, т.е.
Ом.
Рис.59. Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной утечки по диэлектрику (а) и образец диэлектрика с концентрически расположенными электродами (б).
Вместо сечения S здесь приходится пользоваться условным сечением – длиной окружности электрода 2 можно взять длину внутренней окружности электрода 3, но, чтобы уменьшить ошибку, в качестве условного сечения берут длину средней окружности диаметром . Тогда величина условного сечения S (длина средней окружности) будет равна:
см.
Подставляя найденные величины l и S, получим формулу для подсчета удельного поверхностного сопротивления:
Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков бывает в пределах:
ом.
У проводниковых и полупроводниковых материалов измеряется только общее удельное сопротивление , так как у этих материалов нельзя выделить удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления. Это объясняется повышенной проводимостью этих материалов.
Рис.60.Плоский конденсатор: 1-диэлектрик, 2- электрод.
Диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика определяется из величины емкости Сх конденсатора, имеющего этот диэлектрик. В большинстве случаев для этого измерения используют плоский конденсатор (рис. 60).
Рис. 61. Образцы твердых диэлектриков
для определения электрической прочности.
Рис.62. Принципиальная схема моста переменного тока.
Электрическую емкость (Сх) конденсатора с испытуемым диэлектриком измеряют при помощи моста переменного тока (рис.62). К мосту переменного тока подводится переменное напряжение (частота 50 Гц) от однофазного Тр, один из выводов которого заземлен. Соответственно заземлена точка 3 моста. Исследуемый образец Сх диэлектрика включается в ветвь 1-2 моста. В противоположной ветви 1 – 4 моста включен образцовый
Рис.63. Образец твердого диэлектрика со сферическими электродами для определения электрической прочности.
Рис. 64. перекрытие твердого диэлектрика в воздухе: 1-электод, 2- диэлектрик
воздушный конденсатор С0. Два разрядника Р, подключенные к точкам моста 2 и 4, предназначены для отведения в землю токов в случае пробоя испытуемого диэлектрика Сх или образцового конденсатора С0. Работа на мосте переменного тока сводится к подбору регулируемого сопротивления R3 и емкости С4, при которых вибрационный гальванометр ВГ будет показывать нуль. При достигнутом равновесии моста искомая величина емкости Сх вычисляется по формуле
ф,
где С0 – емкость образцового (воздушного )конденсатора, Ф;
- переменное (регулируемое) сопротивление, оформленное в виде магазина проволочных сопротивлений;
- образцовое (постоянное) проволочное сопротивление, равное Ом.
По величине емкости Сх и известным величинам S и h подсчитывают диэлектрическую проницаемость электроизоляционного материала:
Тангенс угла диэлектрических потерь( )есть электрическая характеристика, с помощью которой определяется потеря мощности (диэлектрические потери) в электроизоляционном материале, работающем под переменным напряжением. Диэлектрические потери подсчитывают по формуле
Вт
где –мощность, теряемая в диэлектрике, Вт; U – напряжение, В; С – емкость (фарады), Ф; - тангенс угла диэлектрических потерь.
Тангенс угла диэлектрических потерь ( ) измеряют на том же мосте переменного тока (рис. 62). При достигнутом равновесии моста величину вычисляют по формуле, согласно которой численно равен величине регулируемой емкости С4 моста, т.е.
,
где С4 – регулируемая образцовая емкость в мосте переменного тока, оформленная в виде магазина слюдяных конденсаторов.
Электрическая прочность (Епр) – электрическая характеристика, с помощью которой оценивается способность электроизоляционного материала противостоять разрушению электрическими силами, т.е. пробою. Как известно из предыдущего, электрическая прочность электроизоляционного материала вычисляется по формуле:
кв/мм,
где - величина приложенного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, измеряемая в киловольтах, кВ; h–толщина диэлектрика в месте пробоя, мм. Для определения электрической прочности твердых диэлектриков применяют образцы со сферическими выемками (рис. 61), которые делаются для того, чтобы создать равномерное2 электрическое поле в наиболее тонком месте пробиваемого образца.
Поверхность выемок предварительно металлизируется или покрывается слоем графитовой краски, чтобы создать плотное соприкосновение металлических электродов 2 и 3 с испытуемым образцом 1 (рис.63). Из-за небольшой электрической прочности воздуха (Епр3 кВ/мм) образец твердого диэлектрика, как правило, не удается довести
до пробоя (в воздухе) вследствие его поверхностного перекрытия (рис. 64). Поэтому пробой образцов твердых диэлектриков производят в среде какого-либо жидкого диэлектрика, например трансформаторного масла, так как трансформаторное масло обладает большей электрической прочностью по сравнению с воздухом. Для этого испытуемый образец 1 (рис. 65),зажатый между двумя металлическими электродами 2 и 3, погружают в сосуд с жидким диэлектриком. К электродам подводят переменное напряжение от трансформатора Тр испытательной установки. С помощью регулирующего устройства (автотрансформатора) 6 напряжение, приложенное к испытуемому образцу диэлектрика, плавно повышают до наступления пробоя.
Рис. 65. Схема установки определения электрической просности диэлектриков
Момент пробоя диэлектрика сопровождается резким падением напряжения, отмечаемым по вольтметру V .
Одновременно наблюдается сильное возрастание тока, показываемое амперметром А, включенным в первичную цепь трансформатора Тр. Для ограничения тока в момент Рис.67.Пробойник для
жидких диэлектриков.
определения
электрической прочности
Рис. 66. аппарат (АМИ-70) для
испытания жидких диэлектриков на пробой
пробоя в испытательную цепь установки включается большое сопротивление 4 и реле максимального тока 5. Последнее выключает установку при возрастании тока в момент пробоя диэлектрика.
Включается установка рубильником. Пробой жидких диэлектриков производят в стандартном пробойнике (рис. 67), представляющем собой фарфоровый сосуд 1, в стенках которого закреплены латунные стержни 2 с дисковыми латунными электродами 3 диаметром 25 мм. Для создания между электродами равномерного электрического поля края электродов закруглены по радиусу 2 мм. Электроды стоят один от другого на расстоянии 2,5 мм. Таким образом, при определении электрической прочности жидких диэлектриков пробивают слой электроизоляционной жидкости толщиной в 2,5 мм. Во избежание искажения электрического поля расстояние от электродов до стенок и дна сосуда пробойника должно быть не менее 15 мм. Толщина слоя испытуемой электроизоляционной жидкости над электродами также должна быть не менее 15 мм.В описываемый стандартный пробойник заливают 0,5 л испытуемой жидкости, которой дают отстояться в течении 10 мин (не менее).
Пробойник с залитой в него электроизоляционной жидкостью включают во вторичную цепь испытательного трансформатора (рис. 65). После этого плавно повышают напряжение до момента пробоя жидкого диэлектрика. В момент пробоя отмечается напряжение по вольтметру. Момент пробоя сопровождается треском и появлением между дисковыми электродами светящейся искры. Светящуюся искру обычно наблюдают через застекленной отверстие в крышке специального аппарата (рис. 66), при помощи которого, производят пробой жидких диэлектриков. В металлическом кожухе этого аппарата помещается трансформатор, пробойник и регулирующее устройство. Ручка от регулирующего автотрансформатора выведена наружу кожуха.
Всего производят пять пробоев данной электроизоляционной жидкости. После каждого пробоя жидкость в пробойнике перемешивают чистой стеклянной палочкой, а затем ей дают отстояться в течение 5 мин. (для трансформаторного масла). Во время отстоя из электроизоляционной жидкости удаляются пузырьки воздуха (газов), наличие которых приводит к понижению электрической прочности жидкого диэлектрика. Из пяти пробоев одной и той же пробы жидкого диэлектрика, залитого в пробойник, вычисляют среднее арифметическое значение электрической прочности. Это значение Епр является характеристикой, определяющей электрическую прочность данной электроизоляционной жидкости.
Порядок подготовки электроизоляционной жидкости к пробою и количество пробоев, необходимых для вычисления средней величины электрической прочности, устанавливаются в технических условиях или в ГОСТ на данную электроизоляционную жидкость.