UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI Facultatea de Inginerie Electric

Florin CIUPRINA

Petru V. NOINGHER

MATERIALE ELECTROTEHNICEFIE DE LABORATOR

Cuprins

1. Rezistivitatea de volum i de suprafa a materialelor electroizolante solide 2. Rigiditatea dilectric a materialelor electroizolante 3. Permitivitatea relativ i factorul de pierderi dielectrice ale materialelor electroizolante solide 4. Parametri electrici ai materialelor semiconductoare 5. Proprietile materialelor magnetic moi 6. Proprietile feritelor magnetic moi 7. Proprietile materialelor magnetic dure 8. Studiul fenomenului de histerezis dielectric

3 9

17 25 33 39 45 51

Bibliografie

57

FIE DE LABORATOR

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

3

MATERIALE ELECTROTEHNICE 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 M A V K Rp - inel de gard; - material izolant; - ampermetru; - voltmetru; - comutator; - rezisten de protecie a ampermetrului A;

Figura 2. Schema de montaj folosita

4

FIE DE LABORATOR 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

v = Rvunde Rv =

S , d

U R p , reprezint rezistena volumic, S = D12 / 4 - suprafaa electrodului Iv

e1 i d grosimea eantionului de msur.

Rezistivitatea de suprafa se calculeaz cu relaia

s = Rsunde Rs =

P , g

Rv Rt U reprezint rezistena de suprafaa; Rt = R p ; It Rv Rt

P = Dm ; Dm = 1 ( D1 + D3 ) (figura 3); 2

g = 1 ( D3 D1 ) . 2

Figura 3. Notaiile dimensiunilor electrozilor

5

MATERIALE ELECTROTEHNICE

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 Material stratificat pe baz de esatur de sticl Material stratificat pe baz de celuloz PCV plastifiat PCV neplastifiat Carton electrotehnic Material stratificat pe baz de estur textil Izolaie mixt Azbest Micanit Poliamid (Nylon)

v [m]1011 - 1012 108 109 109 - 1012 1011 - 1013 1011 - 1012 109 1010 1011 - 1012 103 - 1011 1011 - 1012 1010 - 1011

6

FIE DE LABORATOR

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?

7

MATERIALE ELECTROTEHNICE

8

FIE DE LABORATOR

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.

9

MATERIALE ELECTROTEHNICE 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 experimentaleHT e2 d Material izolant

n figura 1 se prezint sistemul de electrozi (e1 electrod plan, e2 electrod cilindric) utilizai pentru

ncercrile pe eantioane plane dine1

izolatori solizi.

Figura 1. Sistemul de elctrozi utilizat pentru strpungerea izolatorilor solizi sub form de plci 10

FIE DE LABORATOR Pentru ncercrile n cmp uniform, rigiditatea dielectric se calculeaz cu relaia urmtoare:

E str =

U str , d

(1)

unde U str este tensiunea de strpungere, iar d este grosimea eantionului.

Schema montajului utilizat este prezentat n figura 2.

Cusca de protectie

TIT A 220 V ~ ATe2

Ve1

C LA THT C ntreruptor automat;- transformator ridictor; - contact de protecie;

AT L V

autotransformator;

- lampa de semnalizare;- 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.

11

MATERIALE ELECTROTEHNICE

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).

100

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

300

ntr-un interval de 10 - 20 s. Se efectueaz n 5 ncercri succesive i se determin valorileUci (la300

care

se

produce

strpungerea).

Tensiunea medie de strpungere U str se calculeaz ca fiind media valorilor obinute n cele n ncercri:n

Figura 3. Eantion din carton ndoit

U str ,iU str =i =1

n

,

unde Ustr,i este valoarea tensiunii de strpungere la ncercarea numrul i.. Se calculeaz, de asemenea, abaterea medie cu relaia:

n

U str ,i U strA=i =1

n U str

100 .

12

FIE DE LABORATOR

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.

Electrozi

Recipient de portelan

d

Borne de conexiune

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 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. gazos ce nconjoar suprafaa izolatorului ce separ

13

MATERIALE ELECTROTEHNICE

Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:

Material izolant

d

Upi

Ustr,i

U str

E str

[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 Carton electrotehnic Sticl Ulei mineral de transformator Rigiditatea dielectric Estr [kV/mm] 9 - 12 10 - 40 >15

14

FIE DE LABORATOR

50

60

U [kV]c

U [kV]c

1

50

40

4030

f = 50 Hz d = 2,5 mm R = 25 mm

30

2 f = 50 Hz d = 2,5 mm R = 25 mm

20

2010

10

0 0.00

00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Contenu d'eau dans l'huile [%]

T [C]

Figura 5. Variaia tensiunii de strpungere n funcie de coninutul de ap din ulei

Figura 6. Variaia tensiunii de strpungere n funcie de temperatur: 1 ulei deshidratat; 2 ulei nedeshidratat.

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 .

15

MATERIALE ELECTROTEHNICE

16

FIE DE LABORATOR

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 .d

+q

-q

Moment electric dipolar p : p = qd [Cm]. (1)

Polarizaie electric: mrime vectorial egal cu suma vectorial a momentelor electrice dipolare p i coninute n volumul infinit mic V :

P = lim iV 0

( p i )VV[C/m2]. (2)

Polarizaie temporar: polarizaia indus de intensitatea cmpului electric E i care se anuleaz n absena sa. Legea polarizaiei temporare se scrie:Pt = 0 e E ,

(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. 17

MATERIALE ELECTROTEHNICE

Material nepolar: material format din molecule care nu prezint un moment electricspontan.

Mecanisme de polarizare: polarizare electronic: deplasarea relativ a norului electronic al unui atom nraport cu nucleul, sub efectul cmpului electric;

polarizare ionic: deplasarea n sens contrar a ionilor de semn opus sub efectulunui cmp electric;

polarizare de orientare: rotirea momentelor dipolare spontane ale particulelorconstitutive sub efectul unui cmp electric.

Observaie. Materialele neomogene pot prezenta n plus o polarizaie suplimentarnumit polarizaie de neomogenitate.

Permitivitate relativ r : r = 1 + eUtiliznd r , expresia lui Pt devine:

(4)

Pt = 0 ( r 1) E

(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 = 1 + e = j r r

(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 deordinul sutelor (Tabelul 1).

18

FIE DE LABORATOR Tabelul 1.Valori ale lui r pentru diferite materiale

Materiale Gaze nepolare Lichide polare puternic polare moleculare Solide ionice semiconductori feroelectrici nepolare polare

r11,5 2,5 2,5 6 zeci 23 3 16 5 13 8 16 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 I a 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.

19

MATERIALE ELECTROTEHNICEI Ir I

U a) b)

Ia

U

Figura 1. Defazaj curent tensiune: a) condensator ideal; b) condensator real.

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