Upload
ana-maria-birdici
View
220
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI
Facultatea de Inginerie Electric
Florin CIUPRINA Petru V. NOINGHER
MATERIALE ELECTROTEHNICE
FIE DE LABORATOR
Cuprins
1. Rezistivitatea de volum i de suprafa a materialelor electroizolante solide 3
2. Rigiditatea dilectric a materialelor electroizolante 9
3. Permitivitatea relativ i factorul de pierderi dielectrice ale materialelor
electroizolante solide
17
4. Parametri electrici ai materialelor semiconductoare 25
5. Proprietile materialelor magnetic moi 33
6. Proprietile feritelor magnetic moi 39
7. Proprietile materialelor magnetic dure 45
8. Studiul fenomenului de histerezis dielectric 51
Bibliografie 57
FIE DE LABORATOR
3
1. Rezistivitatea de volum i de suprafa a materialelor
electroizolante solide
1. Scopul lucrrii
Scopul general al acestei lucrri este de a determina mrimile care exprim
rezistena pe care un material o opune trecerii curentului prin volumul sau pe la
suprafaa sa, respectiv rezistivitatea de volum v i rezistivitatea de suprafa s.
Msuratorile i calculele efectuate permit determinarea valorilor acestor mrimi pentru
materialele izolante uzuale.
2. Noiuni teoretice
Rezistena de volum Rv [] este raportul dintre tensiunea continu aplicat ntre doi
electrozi care sunt n contact cu feele opuse ale unui eantion i curentul dintre cei
doi electrozi, din care se exclude curentul de suprafata.
Rezistivitatea de volum v [m] este raportul dintre intensitatea cmpului electric
continuu i densitatea de curent care parcurge materialul izolant. Aceast mrime
exprimua dificultatea pe care o ntmpin curentul electric la trecerea sa prin
material.
Rezistena de suprafa Rs [] este raportul dintre tensiunea continu aplicat ntre
doi electrozi fixai pe suprafaa unui eantion i curentul dintre cei doi electrozi.
Rezistivitatea de suprafa s [] este raportul dintre intensitatea cmpului electric
continuu i densitatea liniar de curent care parcurge stratul superficial al unui
material izolant. Rezistivitatea de suprafa este numeric egal cu rezistena de
suprafa dintre cei doi electrozi care formeaz laturile opuse ale unui ptrat de
anumite dimensiuni.
Atunci cnd se masoar rezistenele, valorile indicate de aparate nu trebuie notate
imediat dupa aplicarea tensiunii, ci dup o perioad de timp bine precizat t.
Motivul este acela c, imediat dupa aplicarea tensiunii, curentul prin material (numit
MATERIALE ELECTROTEHNICE
4
curent de absorbie) descrete asimptotic ctre valoarea de regim staionar (figura 1).
n practic, durata de aplicare a tensiunii este prin convenie un minut.
Figura 1. Curent de absorbie i curent de conducie ntr-un izolator.
3. Chestiuni de studiat
2.1. Determinai valorile mrimilor v i s pentru diferite materiale izolante solide;
2.2. Comparai rezultatele obinute i explicai diferenele dintre ele.
4. Determinri experimentale
Figura 2 prezint montajul utilizat pentru efectuarea determinrilor experimentale.
e1, e2 - electrozi de msur;
e3 - inel de gard;
M - material izolant;
A - ampermetru;
V - voltmetru;
K - comutator;
Rp - rezisten de protecie
a ampermetrului A;
Figura 2. Schema de montaj folosita
FIE DE LABORATOR
5
Pentru a determina rezistivitatea de volum se nchide comutatorul K pe poziia a.
Se aplic tensiunea de ncercare U = 500 V i, dup un minut, se masoar intensitatea
curentului Iv care circul prin volumul materialului, ntre electrozii e1 si e2. n acest caz,
e3 este un inel de gard care intercepteaz curenii de fug pe suprafaa materialului
dirijndu-i n afara circuitului de msur. Dup msurarea curentului Iv se ntrerupe
tensiunea i se trece comutatorul K pe poziia b n vederea determinarii rezistivitii de
suprafa. Apoi, se aplic aceeai tensiune U = 500 V i (dup un minut) se msoar
curentul It care este suma dintre curentul care circul prin volumul materialului, ntre
electrozii e1 si e2 i curentul care circul pe la suprafaa materialului, ntre electrozii e1 i
e3.
Rezistivitatea de volum se calculeaz cu relaia
d
SRvv = ,
unde pv
v RI
UR = , reprezint rezistena volumic, 4/21DS = - suprafaa electrodului
e1 i d grosimea eantionului de msur.
Rezistivitatea de suprafa se calculeaz cu relaia
g
PRss = ,
undetv
tvs
RR
RRR
= reprezint rezistena de suprafaa; R
U
IRt
t
p= ;
mDP = ; )( 3121 DDDm += (figura 3);
)( 1321 DDg = .
Figura 3. Notaiile dimensiunilor electrozilor
MATERIALE ELECTROTEHNICE
6
Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:
Material izolant d [mm] U [V] Iv [A] Rv [] v [m] It [A] Rt [] s []
5. Verificarea rezultatelor
Tabelul 1 prezint valorile rezistivitii de volum v pentru cteva materiale
izolante.
Tabelul 1. Valorile rezistivitii v la 20C i umiditate relativ 0%
Material izolant v [m]
Material stratificat pe baz de esatur de sticl 1011 - 1012
Material stratificat pe baz de celuloz 108 109
PCV plastifiat 109 - 1012
PCV neplastifiat 1011 - 1013
Carton electrotehnic 1011 - 1012
Material stratificat pe baz de estur textil 109 1010
Izolaie mixt 1011 - 1012
Azbest 103 - 1011
Micanit 1011 - 1012
Poliamid (Nylon) 1010 - 1011
FIE DE LABORATOR
7
5. ntrebri
Care sunt valorile tipice ale rezistivitii de volum pentru materialele izolante?
De ce este necesar ca montajul s conin un inel de gard?
Care este influena umiditii i temperaturii asupra valorilor rezistivitilor de
volum i de suprafa?
nflueneaz sau nu intensitatea cmpului electric aplicat materialului valorile
rezistivitilor de volum i de suprafa?
MATERIALE ELECTROTEHNICE
8
FIE DE LABORATOR
9
2. Rigiditatea dielectric a materialelor electroizolante
1. Scopul lucrrii
Scopul general al acestei lucrri este de a determina valorile rigiditii dielectrice a
materialelor electroizolante i de a pune n eviden fenomenul de conturnare i de
strpungere a izolatorilor.
2. Noiuni teoretice
Strpungerea unui izolator: pierderea brusc a proprietii izolante a unui material
supus unui cmp electric.
Rigiditatea dielectric Estr este valoarea maxim a intensitii cmpului electric la
care poate fi supus un izolator, fara apariia unei strpungeri.
Rigiditatea dielectric a unui material poate varia cu mai multe ordine de marime n
funcie de utilizarea sa. n condiii de utilizare identice, nu rar se poate ntlni cazul cnd
Estr poate varia de la simplu la dublu. Puritatea, modul de fabricare, forma eantionului
i mediul nconjurtor sunt numai cateva exemple ale cauzelor ce pot influena puternic
Estr. Aceasta explic marile diferene dintre valorile lui Estr determinate teoretic i cele
determinate experimental. Pentru a determina rigiditatea dielectric experimental,
ncercarile se deruleaz dup proceduri bine definite pentru a garanta reprezentativitatea
rezultatelor obinute. Aceste ncercri pot fi mparite n dou clase:
ncercri asupra eantionului, n care se testeaz izolatorul insui. Trebuie
specificate forma eantionului i a electrozilor precum i condiiile de mediu
i forma de variaie n timp a cmpului aplicat: cmp n trepte, cmp
sinusoidal cu valoarea efectiv a intensitii marit continuu, impulsuri de
aceeai polaritate sau de polariti alternante etc. Aceste ncercri se
efectueaz n laborator i ele servesc la controlul materiilor prime i la
dezvoltarea lor tehnologic.
MATERIALE ELECTROTEHNICE
10
ncercri asupra instalaiei. Aceste ncercri se efectueaz pentru a verifica
faptul c n nici un punct al instalaiei izolaia nu prezint defecte sau nu este
solicitat astfel nct s se produc o strpungere n timpul funcionrii
normale. Aceste ncercri se rezum la supunerea instalaiei, pentru un timp
determinat, la o tensiune nominala U0 multiplicat cu un factor superior lui
1. n mod curent se utilizeaz factorii 1,25 sau 2,5. Dac izolaia este
sensibil la descrcri pariale, nivelul acestor descrcari va fi verificat, de
exemplu la 1,25 U0.
Mecanismele responsabile de strpungerea izolatorilor ne permit de a mpri
strpungerile n dou categorii: strpungeri electrice i strpungeri termice.
Strpungerea electric se definete ca strapungerea n declanarea creia efectul
Joule, asociat unui curent ce precede descrcarea propriu-zis, nu joac nici un rol.
Strpungerea termic. Pierderile dielectrice prin conducie i prin polarizare
determin o degajare de caldur n izolatori. Att timp ct cldura astfel produs este
superioar celei pe care izolatorul o poate evacua, temperatura crete i, la un
moment dat, se produce o strpungere numit strpungere termic.
3. Chestiuni de studiat
3.1. Determinarea rigiditii dielectrice a unui eantion din carton electrotehnic.
3.2. Determinarea rigiditii dielectrice a unui eantion din ulei mineral de
transformator.
3.3. Studierea fenomenului de conturnare.
4. Determinri experimentale
n figura 1 se prezint sistemul
de electrozi (e1 electrod plan, e2
electrod cilindric) utilizai pentru
ncercrile pe eantioane plane din
izolatori solizi.
HT
d
e2
e1
Material izolant
Figura 1. Sistemul de elctrozi utilizat pentru strpungerea izolatorilor solizi sub form de
plci
FIE DE LABORATOR
11
Pentru ncercrile n cmp uniform, rigiditatea dielectric se calculeaz cu relaia
urmtoare:
d
UE strstr = , (1)
unde strU este tensiunea de strpungere, iar d este grosimea eantionului.
Schema montajului utilizat este prezentat n figura 2.
V220 V ~
A AT
LC
e
e1
2
Cusca de protectie
TIT
A ntreruptor automat; AT autotransformator;
THT - transformator ridictor; L - lampa de semnalizare;
C - contact de protecie; V - voltmetru.
Figura 2. Schema montajului utilizat
Montajul conine un transformator ridictor de tensiune TIT care asigur o
valoare maxim Us,max = Usn = 60 kV la bornele secundarului, pentru tensiunea nominal
la bornele primarului Upn = 220 V (la o frecven de 50 Hz). Cu ajutorul unui voltmetru
(V) se masoar valorile tensiunii la bornele infurrii primare Upi i apoi, cunoscnd
raportul de transformare k = Usn/Upn = 60000/220 se determin tensiunea de strpungere
a eantionului, Ustr,i = kUpi.
MATERIALE ELECTROTEHNICE
12
Reglajul tensiunii aplicate ntre electrozi se face cu un autotransformator (AT)
conectat la o surs de tensiune sinusoidal U = 220 V.
4.1. Determinarea rigiditii dielectrice a cartonului electrotehnic
Determinarea rigiditii dielectrice se face n conformitate cu standardele
internaionale.
Eantioanele din carton nendoit au form ptrat, de dimensiuni 300 300 mm.
Pentru ncercrile pe carton ndoit se utilizeaz acelai tip de eantion iar ndoirea se
face la 100 mm de marginea eantionului (figura 3).
Dup introducerea eantionului ntre
electrozii e1 i e2 (figura 2), se crete
tensiunea electric ntre electrozi cu o vitez
constant, astfel ncat stpungerea se produce
ntr-un interval de 10 - 20 s. Se efectueaz n
5 ncercri succesive i se determin valorile
Uci (la care se produce strpungerea).
Tensiunea medie de strpungere strU se
calculeaz ca fiind media valorilor obinute n
cele n ncercri:
n
U
U
n
iistr
str
== 1
,
,
unde Ustr,i este valoarea tensiunii de strpungere la ncercarea numrul i..
Se calculeaz, de asemenea, abaterea medie cu relaia:
1001,
=
=
str
n
istristr
Un
UU
A .
100
300
300
Figura 3. Eantion din carton ndoit
FIE DE LABORATOR
13
4.2. Determinarea rigiditaii dielectrice a uleiului mineral
n vederea determinrii rigiditii dielectrice a uleiului mineral se utilizeaz un
vas de porelan cu doi electrozi din cupru n form de calot sferic (figura 4). Nivelul
uleiului din vas trebuie s depaeasc nivelul electrozilor cu cel puin 10 mm. Raza de
curbur a electrozilor este R = 25 mm iar distana dintre electrozi este d = 2,5 mm.
ncercarea se face crescnd tensiunea de la zero pn cnd are loc strpungerea uleiului,
cu o vitez constant de maxim 2 kV/secund.
d
Electrozi Recipient deportelan
Borne deconexiune
Figura 4. Vas pentru determinarea rigiditii dielectrice a uleiului mineral
4.3. Studierea fenomenului de conturnare
Conturnarea este fenomenul de apariie a unei descrcri electrice (arc electric) ntre doi
electrozi metalici in stratul gazos ce nconjoar suprafaa izolatorului ce separ
electrozii.
Pentru studierea fenomenului de conturnare, ntre electrozii din figura 1 se
introduce o placa de sticl si se crete tensiunea de la zero pana cand se realizeaz
conturnarea.
MATERIALE ELECTROTEHNICE
14
Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:
Material
izolant
d Upi Ustr,i strU strE
[mm] [V] [kV] [kV] [kV/mm]
5. Verificarea rezultatelor
n tabelul 1 se prezint valorile aproximative ale rigiditii dielectrice pentru materialele
studiate. Figura 5 prezint variaia tensiunii de strpungere Ustr n funcie de
concentraia de ap din ulei, n timp ce figura 6 prezint variaia tensiunii Uc n funcie
de temperatur.
Tabelul 1. Valorile rigiditii dielectrice pentru materialele studiate
(la 50 Hz i 20 C).
Material izolant Rigiditatea dielectric Estr [kV/mm]
Carton electrotehnic 9 - 12
Sticl 10 - 40
Ulei mineral de transformator >15
FIE DE LABORATOR
15
6. ntrebri
Care sunt cauzele diferenelor dintre valorile determinate n laborator i cele
prezentate n tabelul 1 ?
De ce rigiditatea dielectric a cartonului n regiunea ndoit este mai mic dect cea
din regiunea nendoit?
ncercai s explicai alura curbelor prezentate n figurile 5 i 6 .
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
0
10
20
30
40
50
f = 50 Hz
d = 2,5 mmR = 25 mm
Contenu d'eau dans l'huile [%]
Uc [kV]
Figura 5. Variaia tensiunii de strpungere n funcie de coninutul de
ap din ulei
-40 -20 0 20 40 60 80 100
0
10
20
30
40
50
60
f = 50 Hzd = 2,5 mmR = 25 mm
2
1
T [C]
Uc [kV]
Figura 6. Variaia tensiunii de strpungere
n funcie de temperatur: 1 ulei deshidratat; 2 ulei nedeshidratat.
MATERIALE ELECTROTEHNICE
16
FIE DE LABORATOR
17
3. Permitivitatea relativ i factorul de pierderi
dielectrice ale materialelor izolante solide
1. Scopul lucrrii
Scopul general al acestei lucrri este de a studia mrimile fizice ce caracterizeaz
fenomenul de polarizare electric. Masurtorile i calculele permit fixarea valorilor
permitivitaii relative i a factorului de pierderi pentru civa dielectrici uzuali.
2. Noiuni teoretice
Dipol electric: un sistem de dou sarcini punctuale +q et -q situate la o distan d .
Moment electric dipolar p :
dqp = [Cm]. (1)
Polarizaie electric: mrime vectorial egal cu suma vectorial a momentelor
electrice dipolare ip coninute n volumul infinit mic V :
( )
V
ip
P
Vi
V =
0lim [C/m2]. (2)
Polarizaie temporar: polarizaia indus de intensitatea cmpului electric E i care
se anuleaz n absena sa. Legea polarizaiei temporare se scrie:
P Et e= 0 , (3)
unde 0 este permitivitatea vidului ( 0 = 8.85 10-12 F/m) i e este susceptivitatea
electric.
Dielectric: material a crui proprietate electromagnetic fundamental este de a se
polariza sub aciunea unui cmp electric.
Material polar: material format din molecule care prezint un moment electric
spontan.
+q -qd
MATERIALE ELECTROTEHNICE
18
Material nepolar: material format din molecule care nu prezint un moment electric
spontan.
Mecanisme de polarizare:
polarizare electronic: deplasarea relativ a norului electronic al unui atom n
raport cu nucleul, sub efectul cmpului electric;
polarizare ionic: deplasarea n sens contrar a ionilor de semn opus sub efectul
unui cmp electric;
polarizare de orientare: rotirea momentelor dipolare spontane ale particulelor
constitutive sub efectul unui cmp electric.
Observaie. Materialele neomogene pot prezenta n plus o polarizaie suplimentar
numit polarizaie de neomogenitate.
Permitivitate relativ r : er += 1 (4)
Utiliznd r , expresia lui Pt devine:
P Et r= 0 1( ) (5)
Din relaia (5) se poate observa c r exprim usurina cu care un material se
poate polariza sub aciunea unui cmp electric. Deci, un material care nu se
polarizeaz are r = 1, n timp ce un material care se polarizeaza are r > 1. Cu cat
r este mai mare, cu atat polarizaia materialului este mai mare.
n cazul cmpurilor electrice armonice, susceptivitatea electric i permitivitatea
relativ sunt mrimi complexe:
r e r r
j= + = 1 (6)
unde r are aceeai semnificaie fizic ca r n cmp continuu, n timp ce r
caracterizeaz pierderile dielectrice datorate polarizaiei electrice a materialului.
Valorile lui r depind de structura fizico-chimic a materialelor, de starea lor de
agregare, de caracteristicile mediului ambiant, de cmpul electric etc. Astfel, valorile
lui r pentru materiale polare sunt mai mari dect cele pentru materiale nepolare,
gazele au r 1, iar materialele care prezint o polarizaie permanent au r de
ordinul sutelor (Tabelul 1).
FIE DE LABORATOR
19
Tabelul 1.Valori ale lui r pentru diferite materiale
Materiale r
Gaze 1
nepolare 1,5 2,5
polare 2,5 6
Lichide
puternic polare zeci
nepolare 2 3 moleculare polare 3 16
ionice 5 13
semiconductori 8 16
Solide
feroelectrici sute mii
Factor de pierderi dielectrice
Utilizarea unui izolant n electrotehnic implic plasarea izolantului ntre dou
conductoare, ceea ce corespunde realizrii unui condensator. Ar fi ideal ca izolatorul
s asigure izolarea electric perfect a celor dou conductoare unul fa de cellalt,
ceea ce ar corespunde realizrii unui condensator ideal n care puterea disipat este
nul.
La aplicarea unei tensiuni sinusoidale condensatorului ideal, defazajul dintre
curent si tensiune ar fi
=2 (figura 1.a). n realitate, curentul care circul n
condensator are o component aI n faz cu tensiunea U (figura 1.b.), ceea ce
corespunde unei disipri de putere n izolator. Aceast putere, n general
nerecuperabil, reprezint pierderile dielectrice.
MATERIALE ELECTROTEHNICE
20
Pierderile dielectrice se datoreaz fenomenelor de conducie electric (efect Joule) i
de polarizare electric. Deci, pentru un condensator real, defazajul dintre curentul I
i tensiunea U este