ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы. Определять диэлектрическую проницаемость и угол диэлектрических потерь электроизоляционных материалов различного состава.

Теоретические сведения. Относительная диэлектрическая прони­цаемость ε является одной из важнейших характеристик электроизоляционных материалов. Её величина определяет значение ёмкости об­разца материала либо электроизоляционной конструкции (изолятора, конденсатора, кабеля и других). Определив относи­тельную диэлектрическую проницаемость и умножив её на электричес­кую постоянную ε₀ = 8,66×10^-12 Ф/м, получаем абсолютную диэлек­трическую проницаемость материала

(2.1)

где ε – диэлектрическая проницаемость. Величину емкости С плоского конденсатора, можно выразить через абсолютную диэлектрическую проницаемость.

(2.2)

где S – площадь одной металлической обкладки, см²;

h­ – толщина диэлектрика, см. формулу (2.2) можно переписать в виде:

(2.3)

Из выражения (2.3) следует, что диэлектрическая проницаемость - величина, определяющая способность материала образовывать электри­ческую ёмкость. Наименьшей диэлектрической проницаемостью обладает вакуум (ε = 1), диэлектрическая проницаемость воздуха ε = 1,00058. Большими значениями диэлектрической проницаемости обладают жидкие и твердые диэлектрики, у которых ε =2-9.

У некоторых твердых диэлектриков, называемых сегнетоэлектри ками, диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре до­стигает очень больших значений (ε = 1500 -7500). Это позволяет изготавливать из них электрические конденсаторы очень малых разме­ров.

Под диэлектрическими потерями понимают обычно величину мод­ности, рассеиваемой в электрической изоляции, находящейся в пере­менном электрическом поле. Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способны к подобному рассеиванию. Толь­ко идеальный диэлектрикможет образовать электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет прохо­дить чисто реактивный, емкостный ток. В изоляции же из реальных материалов ток I , наряду с ёмкостной составляющей I_c , будет иметь и активную составляющую I_a , которая и определяет величину диэлектрических потерь: P =U I_a . Поэтому вектор тока опе­режает вектор напряжения U на угол φ < 90° (см. рис. 2.1). Угол δ, дополняющий угол до 90°, называется углом диэлектрических потерь, потому что чем больше этот угол, тем больше составляющая I_а и, следовательно, диэлектрические потери Р. Диэлектрические потеря Р (Вт) в образце электроизоляционного материала или в изоля­ции какой-либо конструкции с ёмкостью С(Ф) при действующем значе­нии переменного синусоидального напряжения U (В) и круговой частоте ω (сек^-1) вычисляются по формуле:

(2.4)

Отсюда следует, что потери определяются величиной тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, являющегося поэтому важной ха­рактеристикой как диэлектриков, так и изоляции конструкций, в осо­бенности работающих при высоких напряжениях и частоте и тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость диэ­лектриков зависит от различных факторов, например, частоты (f) приложенного напряжения, температуры диэлектрика и т.д. Ярко выраженная зависимость tg δ от величины приложенного напряжения наблюдается у изоляции, содержащей газовые включения при доста­точном их объёме.

Устройство установки. В комплекс установки (рисунок 2.2) входят: мост переменного тока 1; индикатор нуля переменного тока 2; портативный генератор сигналов синусоидальной фор­мы с диапазоном частот от 20 Гц до 200 кГц. Каждая установка представлена отдельным блоком, которые соединяются соединительными ка­белями. Есть специальный кабель для подсоединения исследуемого об­разца (ИО). Диапазоны измерения моста по емкости (С) от 0,01 до 100 мкФ, по последовательной проводимости G₁ от 10^-4 см до 10 см, по параллельной проводимости G₂ от 10^-4 см до 1 см. Уравновеши­вание моста по проводимости и емкости производится вручную по по­казателям внешнего нульиндикатора (2), входящего в комплект моста.

Определение ε и tg δ исследуемых материалов путем измерения их электрических параметров основано на представлении об эквивалентности электрическим процессам и двойному электрическому слою таких электрических величин, как емкость и сопротивление (прово­димость).

Конструктивно мост выполнен в виде настольного лабораторного прибора, снабженного ручками для переноски, На передней пане­ли моста расположены переключатели декад магазинов последователь­ной (G₁), параллельной (G₂) проводимости и емкости (С),с по­мощью которых производится уравновешивание измерительной цепи моста. Отсчёт показаний к размерности производится по цифровым табло, расположенными над органами управления магазинов. Исследуемый образец при помощи кабеля подключается к мосту. В левом верхнем углу расположен стрелочный прибор «mV» для контроля амплитуды напряжения переменного тока на объекте и ручка потенциометра «U объекта» для предустановки требуемой амплитуды. Слева от магазина параллельной проводимости (G₂) расположен верти­кальный ряд переключателей «Схема замещения». В левом нижнем углу расположен переключатель «Поддиапазоны I, II, III, IV».

На задней стенке слева направо располагаются тумблер вклю­чения сети «сеть 220 В 50 ГЦ», вывод сетевого шнура, предохранитель «IA», высокочастотный разъём «Генератор» для подключения генератора, «Вход X» для подачи напряжения на развертку луча нульиндикатора по оси «X», высокочастотный разъем «ВПЭ» для подключе­нии вспомогательного поляризующего электрода исследуемого образ­ца и ввод входного кабеля.

Нульиндикатор переменного тока - избирательный, электроннолучевой предназначен для применения в качестве указателя равновесия в мостовых, компенсационных и других измерительных схемах.

Нульиндикатор имеет дав канала X и У, по каналу У нульиндикатор имеет симметричный и несимметричный относительно корпуса нульиндикатора вход.

Рабочий диапазон частот канала У от 20 Гц до 200 кГц.

Погрешность шкалы частоты настройки не более ± 5% от установ­ленного значения частоты. На лицевую панель нульиндикатора выведены следующие органы индикации, контроля и управления.

а) переключатель чувствительности с соответствующими пределами чувствительности «мин», «-90 кВ», «-60 кВ», «-30 кВ», «макс» - для регулировки чувствительности нульиндикатора,

б) тумблер для переключения вида амплитудной характеристики «лин» - линейная и «лог» - логарифмическая,

в) тумблер для включения фильтра 50 Гц «Фильтр 50 Hz»;

г) кнопочный переключатель для включения необходимого поддиапазо­не частот "Поддиапазоны";

д) ручка "Настройка" для плавкой настройки индикатора на частоту в данном поддиапазоне;

е) ручка усиления по каналу X "усиление X";

ж) ручка для регулировки яркости электронно-лучевой трубки "Яркость"

з) ручка фокусировки луча электронно-лучевой трубки "Фокус";

и) тумблер включения сетевого питания "сеть" и индикаторная лампоч­ка включения сетевого питания;

к) экран электронно-лучевой трубки с миллиметровой сеткой и съёмной линзой в оправе, служащей для увеличения изображения и затемне­ния экрана;

л) шкала со стрелочным указателем для указания частоты.

Рисунок 2.1 – Векторная диаграмма диэлектрика с потерями.

Рисунок 2.2 – Схема соединений приборов лабораторной установки.