Трансформаторного масла и знакомство с частичными

разрядами в твёрдом диэлектрике

Цель работы. Провести опыты по определению пробивного напряжения трансформаторного масла и воздуха и рассчитать среднее его значение для этих материалов. Определить значение электрической прочности каждого для каждого диэлектрика и сравнить со справочными, объяснить возможные расхождения.

В опыте с двухслойным диэлектриком (стекло-воздух), пользуясь полученным пробивным напряжением воздушного промежутка, определить диэлектрическую проницаемость стекла.

 

Методы измерения

Существует довольно много методов определения значения электрической прочности диэлектриков, однако все они в конечном итоге сводятся к инструментальному определению пробивного напряжения диэлектрика, помещенного в электрическое поле, и вычисления по полученным значениям, электрической прочности образца. Принцип таких измерений, в общем случае, сводится к следующему: между двух электродов, изготовленных из электропроводящего материала, помещают испытуемый диэлектрик, пытаясь при этом добиться минимальных зазоров и неоднородностей в месте контакта электродов и диэлектрика. Далее к электродам подключается генератор напряжения,с помощью которого, напряжение на электродах постепенно увеличивают. Момент пробоя диэлектрика фиксируют по напряжению на электродах в момент резкого увеличения тока в цепи. При этом вольтметр будет показывать напряжение пробоя.

В данной работе для опытов используется стандартная ячейка для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков. Ячейка выполнена из материала максимально инертного по отношению к жидким веществам. В качестве электродов используются две латунные полусферы. Полусферическая форма электродов объясняется стремлением свести к минимуму искажения электрического поля в межэлектродном пространстве, и сделать поле максимально равномерным в области наименьшего расстояния между электродами. Основные размеры ячейки показаны на рисунке 3.7.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используется аппарат типа АИМ-90, обеспечивающий подъем напряжения на электродах до 90 кВ. Данный аппарат применяется в промышленных условиях для определения диэлектрической прочности жидких диэлектриков. Внешний вид и описание органов управления аппарата показано на рисунке 3.8

 

Основные элементы установки: 1-кнопка включения сети; 2-индикатор включения сети (зеленый); 3-измерительный прибор; 4-индикатор готовности аппарата к включению высокого напряжения (желтый); 5-включено высокое напряжение (красный); 6,7,9 - не используются; 8-кнопка включения высокого напряжения; А — переключатель уровня подьёма напряжения (различного при испытаниях воздуха и трансформаторного масла); Б — регулятор напряжения; В — дополнительный цифровой прибор.

При испытаниях в промышленных условиях повышение напряжения происходит в аппарате автоматически с заданной скоростью. При выполнении лабораторной работы напряжение повышается вручную, при помощи регулятора напряжения Б, расположенного на лабораторном столе слева от аппарата АИМ-90. Здесь же расположен переключатель для выбора уровня подаваемого напряжения. В положении “воздух” напряжение подается медленнее, нежели в положении “масло”.

Пробой диэлектрика осуществляется в пространстве между двумя электродами, расположенными в съемной ячейке. Съемная ячейка стандартна и необходимые для расчетов характеристики приведены на рисунке 3.

Напряжение, приложенное к электродам, определяется с помощью двух приборов - стрелочного (3, рисунок 3.8) и выносного цифрового (В, рисунок 3.8). Показания приборов следует умножать на 10, чтобы получить напряжение в кВ (одно деление шкалы стрелочного прибора - 2 кВ, крайняя правая отметка «10» соответствует 100 кВ).

 

 

Методические указания

Внимание !Подача высокого напряжения без установленной в аппарат ячейки строго запрещается во избежание пробоя изоляции аппарата.

На первых двух этапах работы проводится измерение электрической прочности промежутка, заполненного диэлектриком. В качестве диэлектрика используется:

а) воздух;

б) трансформаторное масло.

Для каждого из этих случаев имеются отдельные ячейки. Переливание масла из одной ячейки в другую не производить.

Перед началом экспериментальных опытов необходимо, путём расчетов, используя необходимые справочные данные [1] (см. также раздел 4), определить ожидаемое пробивное напряжение для воздуха и трансформаторного масла. После этого можно выполнить серию экспериментов по измерению пробивного напряжения сначала для воздуха, а затем для масла при этом переключатель А, рисунок 3.8, должен находится в положении воздух и масло соответственно.

Измерение пробивного напряжения производится в следующем порядке:

а) открыть крышку и осторожно установить в аппарат необходимую ячейку. При этом: смену ячеек в процессе работы производить только при отключенном питании аппарата - кнопка 1, рисунок 3.8 отжата !

б) Закрыть крышку (при неплотно закрытой крышке защита не позволит произвести подачу высокого напряжения).

в) Проверить нулевое положение регулятора напряжения и включить переключатель скорости подачи напряжения в соответствующее положение («воздух» или «масло»).

г) Включить кнопку питания аппарата (1, рисунок 3.8), при этом должен загореться индикатор зеленого цвета (2, рисунок 3.8). Если регулятор напряжения выведен на нуль и стрелка прибора стоит на нуле, должен гореть индикатор желтого цвета (4, рисунок 3.8). Если индикатор желтого цвета не загорается, отключить аппарат и проверить нулевое положение регулятора напряжения. В процессе работы кнопка автовозврата стрелки (7, рисунок 3.8) должна быть отжата.

д) Нажать кнопку подачи высокого напряжения (8, рисунок 3.8), должен загореться индикатор красного цвета (5, рисунок 3.8) и погаснуть индикатор желтого цвета.

е) Следя за показаниями прибора, медленно увеличивать напряжение с помощью регулятора напряжения до пробоя диэлектрика, сопровождающегося характерным треском и выключением индикатора красного цвета. Зафиксировать значение подводимого высокого напряжения в момент пробоя диэлектрика, после чего регулятор напряжения установить в нулевое положение.

ж) После пробоя диэлектрика (особенно масла) выждать не менее 3 мин.

з) Для каждого вида диэлектрика провести не менее 6 измерений пробивного напряжения (см. п. «г» и далее). Если для диэлектрика проведено 6 измерений, следует выключить питание аппарата и сменить ячейку (см. п. «а» и далее).

 

На третьем этапе работы изучается явление частичных разрядов (ЧР). Для этого используется двухслойный диэлектрик - в отдельную ячейку между электродами помещена стеклянная пластина, касающаяся только одного из электродов (толщина пластины - 1,3 мм). В опыте определяется напряжение появления частичных разрядов. В этом случае напряжение повышается до появления частичных разрядов (ЧР) в воздушном промежутке. При появлении ЧР аппарат АИМ отключается (гаснет индикатор красного цвета 5, рисунок 3.8).

На основе этого определения можно оценить значение диэлектрической проницаемости стекла. Диэлектрическая проницаемость определяется решением системы двух уравнений, представленных в разделе 4.9. При этом предполагается, что при напряжении, приложенном к двухслойному диэлектрику, равному напряжению возникновения частичных разрядов, напряжённость электрического поля в воздушном слое равна электрической прочности воздуха, определённой в первом опыте.

В отчете должны быть представлены все экспериментальные данные в порядке их проведения. Данные рекомендуется занести в таблицу. На основании полученного среднего пробивного напряжения диэлектриков рассчитать их электрическую прочность. Привести справочные данные электрической прочности диэлектриков и сравнить их с экспериментальными, имеющиеся расхождения объяснить. При сравнении электрической прочности воздуха со справочными данными следует учитывать:

- зависимость электрической прочности от расстояния между электродами (см. раздел 4.8);

- тот факт, что пробой проходит на амплитуде переменного напряжения, а прибор показывает его действующее значение.

Привести расчет и полученное значение диэлектрической проницаемости стекла сравнить со справочным.

 

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое «электрическая прочность»?

2. Каково значение электрической прочности у воздуха (при нормальных условиях, в промежутке 10 мм)

3. Каково значение пробивного напряжения качественного трансформаторного масла в стандартной ячейке?

4. Каково значение электрической прочности качественного трансформаторного масла?

5. Как распределяются напряженности поля в двухслойном диэлектрике?

6. Если в твердом диэлектрике имеется воздушное включение, как отличается напряженность поля в этом включении от напряженности поля в твердом диэлектрике?

7. Каково расстояние между полусферическими электродами в стандартной ячейке для испытания жидких диэлектриков?

8. От чего может понижаться электрическая прочность трансформаторного масла?

9. Что такое «частичный разряд?

10. При каких условиях возникают частичные разряды в твердом диэлектрике?

11. Каково значение электрической прочности электротехнического стекла?

12. Как развивается пробой в газе?

13. Как развивается пробой в жидкости? Роль пузырьков.

14. Что такое «тепловой пробой»?

15. Как зависит электрическая прочность материалов от длительности приложения напряжения?

16. Какое напряжение приложено к стеклу при наличии частичных разрядов в промежутке «электрод-стекло»?

 

 

3.7. Определение твёрдости материалов

Цель работы измерить твёрдость стальных образцов и образца из стеклостекстолита методами Роквелла и Бринелля.

 

Методы измерения

В разных методах и при различных условиях испытания числа твердости могут характеризовать сопротивление малым и большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению. Наибольшее распространение при определении твердости материалов получили статические методы. Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор (конус или шарик) медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. В результате возникает местная деформация материала, имеющая упругую и пластическую составляющие. Для определения твёрдости материала имеет значение лишь пластическая деформация. К статическим методам относят измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Твердость по методу Бринелля [] измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки F в течение определенного времени (Рис. 3.9). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (HBW), представляет собой отношение нагрузки F к площади поверхности сферического отпечатка A и измеряется в кгс/мм2:

(1)

При этом площадь шарового сегмента составит, мм²:

, (2)

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Поскольку гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, чем его глубину, то h можно выразить следующим образом, мм:

(3)

Для измерений твердости по Бринеллю применяют стальные шарики твердостью не менее 850 HV10 или шарики из твердого сплава твердостью не менее 1500 HV10, диаметрами 1; 2; 2.5; 5; 10 мм. Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

0,24D ≤ d ≤ 0,6D (4)

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова. Так же следует учитывать что испытуемые образцы должны иметь толщину не менее десятикратной глубины отпечатка h, а расстояния между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатков и краем образца должно быть не менее 4d. Для исключения ошибок, связанных с возможной деформацией шарика, методом Бринелля испытывают материалы с твердостью, не превышающей 450 НВ. В общем случае диаметр шарика и нагрузку можно выбрать по таблице:

 

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Металлы	Твердость HB,	Толщина образца	Соотношение между F и	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка F, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные	140 - 450	6 - 3	F= 30	10	3000	10
4 - 2	5	750
< 2	2,5	187,5
Черные	140	> 6	F= 10	10	1000	10
6 - 3	5	250
> 3	2,5	62,5
Цветные	130	6 - 3	F= 30	10	3000	30
4 - 2	5	750
< 2	2,5	187,5
Цветные	35 - 130	9 - 3	F= 10	10	1000	30
6 - 3	5	250
2 - 3	2,5	62,5
Цветные	8 - 35	> 6	F= 2,5	10	250	60
6 - 3	5	62,5
> 3	2,5	15,6

 

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс, t= 10 - 15 с.), записывается так: 350 HB – для стального шарика и 350 HBW – для шарика из твердого сплава . Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: 200 HB 5/250/30, что означает – число твердости 200 получено при испытании стальным шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

Твердость по методу Роквелла измеряют внедрением в испытуемый образец алмазного конуса или стального закаленного шарика. Однако в отличии от метода Бринелля измеряется не площадь отпечатка а его глубина. Нагрузка прикладывается к образцу в два этапа (Рис. 3.10).

 

 

На первом этапе прикладывается предварительная нагрузка в F₀ = 10 кгс, необходимая для устранения влияния упругой деформации образца, различных степеней шероховатости и т. д. Затем на определенное время прикладывается основная нагрузка F₁ при этом полная нагрузка внедрения индентора в испытуемый материал составляет F=F₀+F₁. После снятия основной нагрузки F₁ определяется глубина отпечатка h. Значением же твердости по Роквеллу является разность h₀-h, которая определяется инструментально в процессе измерения, и считывается по шкале прибора. Это заметно упрощает процесс измерения в сравнении с методом Бринелля. Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по таблице:

 

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Примерная твердость по Виккерсу HV	Обозначение шкалы	Вид наконечника	Общее усилие, кгс	Обозначение твердости по Роквеллу	Допускаемые пределы шкалы
60 – 240 240 – 900 390 – 900	В С А	Стальной шарик Алмазный конус То же	100 150 60	HRB HRC HRA	25 – 100 20 – 67 70 – 85

При измерении твердости по методу Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние между отпечатками должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Число твердости по Роквеллу не имеет единиц измерения. Запись числа твердости по Роквеллу выглядит следующим образом: 350 HRC и означает, что значение 350 было получено по шкале С при вдавливании в материал алмазного конуса с усилием 150 кгс.

Описание лабораторной установки

Испытания твердости материалов по методу Бринелля осуществляют на специальном прессе (прибор типа ТШ - Рис. 3.11), в следующей последовательности:

 

 

Испытываемый образец устанавливают на столике 4 шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 6 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 2 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 6 вращают до упора, и нажатием кнопки 5 включают электродвигатель. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10…60 с), задаваемого реле времени 7, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. Во время действия на испытуемый образец нагрузки, загорается контрольная лампа 1. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 6 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец. Диаметр отпечатка измеряют при помощи специальной линейки.

Для измерения твердости по методу Роквелла используется прибор типа ТК-4 (рис. 3.12). Электродвигатель и механизм прибора позволяет плавно прикладывать нагрузку в течение 4 с. Для включения прибора служит тумблер 6, при этом загорается лампа 4. Далее образец для измерений, кладут на измерительный стол и вращением барабана 3 совмещают нуль шкалы с большой стрелкой индикатора 1. После этого образец вместе со столиком, на котором он находится, путем ручного вращения винта по часовой стрелке поджимают к индентору с силой 10 кгс.

 

Признаком указанной нагрузки является установление маленькой стрелки шкалы индикатора на красной точке. При этом большая стрелка индикатора не должна отклоняться от нуля более чем на 5 делений. Если это отклонение больше, значит образец пружинит или индентор попал на неровность поверхности. При этом нужно опустить стол и начать испытание на новом месте. Затем большую стрелку совмещают с нулем шкалы путем вращения барабана 3. После этого нажатием клавиши 5 дают основную нагрузку в 150 кгс. Дождавшись окончания работы прибора (примерно 4 с. после нажатия на клавишу 5) считывают показания по выбранной шкале. Стрелка индикатора показывает теперь разность между глубиной вдавливания под действием основной нагрузки (после снятия этой нагрузки) и предварительной нагрузкой (при действии этой нагрузки). После снятия показаний опускают столик с образцом, путем вращения винта против часовой стрелки.

 

Методические указания

 

Для испытаний представлено несколько образцов материалов. Необходимо определить наименования этих материалов и предварительно выяснить предполагаемую твердость по справочным данным. Далее необходимо произвести измерения твердости по методу Бриннелля на каждом образце не менее 3-х раз. Записать полученные результаты в таблицу и вычислить среднее значение для каждого образца. Произвести измерения твердости по методу Роквелла на каждом образце не менее 6-ти раз. Занести полученные результаты в таблицу и вычислить среднее значение для каждого образца, отбросив при этом максимальное и минимальное значения из серии. Сравнить полученные разными методами средние значения твердости. Если имеются расхождения – обосновать их. Сравнить полученные значения твердости со справочными. Если имеются расхождения – обосновать их.