Р.Н. Дождикова

Методические указания к выполнению контрольной работы №1 по электротехническим материалам.

Контрольная работа включает в себя 3 задания. Первое задание на тему «Электропроводность. Проводниковые, полупроводящие и изоляционные материалы», второе задание «Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрики» и наконец третье задание «Магнитные свойства материалов. Магнитные материалы».

Так как вы прорешивали точно такие же задачи в самостоятельных работах, затруднений в выполнении этой контрольной работы у вас не должно быть.

При выполнении контрольной работы допускается пользоваться следующими справочниками:

1. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.1/ Под редакцией Герасимова В.Г. и др. – М.: МЭИ, 2003. – 440 с.: ил.

2. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2/ Под редакцией Герасимова В.Г. и др. – М.: МЭИ, 2003. – 440 с.: ил.

Пример решения задания 1.

Проверьте, сработает ли устройство защитного отключения (УЗО) при следующих условиях: Шахтный одножильный кабель диаметром 12 мм длиной 500 м, сечением жилы 35 мм², с изоляцией из резины типа РТИ-1 попал в воду. Напряжение на жиле – 380 В. УЗО срабатывает, если утечка через изоляцию превысит 10 мА.

Решение:

Для того, чтобы сработало УЗО необходимо, чтобы сопротивление изоляции провода было бы не более такого, при котором ток утечки был бы равен 10 мА. Найдём это сопротивление:

R_из. ≤ 380 В / 0,01 А=38000 Ом.

Поскольку ток через изоляцию стекает с жилы, поле тока можно принять радиально-цилиндрическим, и сопротивление изоляции будет равно:

(75)

Неизвестным параметром в этом выражении является удельное сопротивление резины – ρ_{резины.}

Рассчитаем удельное электрическое сопротивление электрической изоляции из резины РТИ-1, при котором может сработать УЗО. Для этого вначале определим радиус токопроводящей жилы через площадь её сечения - S:

.

Радиус внешней эквипотенциальной поверхности коаксиальной системы можно принять равным 6 мм, поскольку кабель находится в воде, а его диаметр равен 12 мм. Рассчитываем удельное электрическое сопротивление:

Таким образом, УЗО может сработать, если удельное сопротивление в результате увлажнения снизится до 2∙10⁸ Ом∙м.

Вывод: Сравнивания полученное значение со значениями в таблице п. 3, видим, что удельное сопротивление резины РТИ-1 даже после 14-и дней увлажнения при любой температуре имеет значения на 4 порядка выше, чем полученное в нашем расчёте. Таким образом, при попадании резинового кабеля в воду срабатывания УЗО не произойдёт. То есть условия электробезопасности при эксплуатации резинового кабеля в воде соблюдаются. По-видимому, отключение УЗО может произойти, если в изоляции будут дополнительные повреждения, например, трещины от старения.

Пример решения задания 2:

Определите напряжённость поля в воздушном включении, которое находится в изоляции одножильного кабеля с номинальным напряжением 10 кВ. Напряжение на жиле составляет 6 кВ. Жила диаметром 10 мм изолирована поликарбонатной пленкой "макрофоль" типа SN и имеет толщину изоляции 3 мм. При намотке пленки на жилу на поверхности жилы образовалось микроскопическое воздушное включение.

Решение:

Если пренебречь искажением поля, которое вносит небольшое воздушное включение, то напряжённость поля на поверхности провода, создающего радиально-цилиндрическое поле, равна:

(76)

Здесь r₁ и r₂ - соответственно радиусы жилы и оболочки, U - напряжение на жиле.

Рисунок 22 – Радиально-цилиндрическое поле

Напряжённость поля в воздушном включении по отношению к напряженности поля в изоляционной плёнке определяется обратным отношением диэлектрических проницаемостей материала воздуха e_в и изоляции e_п:

(77)

Из этого выражения видно, что для выполнения задания необходимо знать значения диэлектрических проницаемостей поликарбонатной пленки e_п и воздуха e_в.

Воздух является газообразным диэлектриком. Его электрическая прочность при расстоянии между электродами в 1 см и атмосферном давлении равна примерно 3 МВ/м. Это на порядок меньше, чем у твердых диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость воздуха при 20⁰ С и давлении 101325 Па (760 мм рт.ст.) e_в = 1,00059. При повышении давления с 0,1 до 10 МПа диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается 1,00058 до 1,0549. Кроме того, диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается с повышением влажности из-за большой диэлектрической проницаемости водяных паров.

Поликарбонатная пленка (ПК) изготавливается толщиной 0,002 - 0,8 мм из поли-6-диоксидифенил-2,2-пропана без пластификаторов фирмой Bayer (ФРГ) под названием макрофоль. Плёнки бывают различных типов. Плёнки всех типов с одной стороны имеют шероховатую поверхность. Наилучшими электрическими и механическими свойствами обладают конденсаторные пленки KG и SKG.

Принимаем, что воздух в пузырьке находится при нормальном давлении. Следовательно, e_в = 1,00059. Из п. 3 e_п = 3,0.

Вывод: Напряжённость поля в воздушном пузырьке составит 7,655 МВ/м, что выше электрической прочности воздуха - 3 МВ/м. Это означает, что воздушный пузырёк будет пробиваться при напряжении на жиле выше, чем 3,8 кВ.

Пример решения задания 3:

Оцените потери в стали 1521 при частоте 50 Гц и напряженности внешнего магнитного поля 2500 А/м и сравните эти потери с потерями в стали 1511 при тех же условиях.

В обозначении марок цифры означают:

Первая – класс по структурному состоянию и виду прокатки:

1 – горячекатаная, изотропная;

2 – холоднокатаная изотропная;

3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой;

5 - холоднокатаная анизотропная с плоской кубической текстурой.

Вторая – содержание кремния:

0 – до 0,4% (нелегированная);

1 – (0,4…0,8) %;

2 - (0,8…1,8) %;

3 - (1,8…2,8) %;

4 - (2,8…3,8) %; удельные потери нормируются при магнитной индукции В=1,5 Тл и частоте f = 50 Гц;

5 - (3,8…4,8) %.

Третья – группу по основной нормируемой характеристике:

0 – удельные потери при магнитной индукции В=1,7 Тл и частоте f = 50 Гц;

1 - удельные потери при магнитной индукции В=1,5 Тл и частоте f = 50 Гц;

2 - удельные потери при магнитной индукции В=1,0 Тл и частоте f = 400 Гц;

4 -удельные потери при магнитной индукции В=0,5 Тл и частоте f = 3000 Гц;

6 – магнитная индукция в слабых полях при напряженности поля Н=0,4 А/м;

7 - магнитная индукция в средних полях при напряженности поля Н=10 А/м.

Четвёртая - порядковый номер типа стали.

Таким образом, заданные электротехнические стали характеризуются следующим образом:

1511 – горячекатаная изотропная сталь, с содержанием кремния - (3,8…4,8) %, удельные потери нормируются при магнитной индукции В=1,5 Тл и частоте f = 50 Гц, тип стали – 1.

1521 – эта сталь отличается от предыдущей только тем, что удельные потери нормируются при магнитной индукции В=1,0 Тл и частоте f = 400 Гц,

Эти стали поставляются в виде листов толщиной 0,1…1,0 мм шириной 500…1000 мм и длиной 600…2000 мм.

В соответствии с маркой стали магнитные потери для стали 1521 нормируются при магнитной индукции В=1,0 Тл и частоте f = 400 Гц и составляют 19,5 Вт/кг (3,табл. 2.5, табл.2.6). При напряжённости внешнего магнитного поля 2500 А/м индукция в стали 1521 составляет 1,44 Тл. Следовательно, нормированные потери необходимо привести к условиям задания. Поскольку сталь магнитомягкая, то приближённо можно считать, что основная доля потерь – это потери на вихревые токи. Поэтому воспользуемся формулой потери на вихревые токи.

Р_норм= β B_норм ² ×f_норм ². (78)

искомые потери: Р_х = β B_1,44 ² ×f₅₀ ².

Дл стали 1521:

Для стали 1511 потери нормируются при индукции 1,5 Тл. Поскольку у этой стали при напряжённости поля 2500 А индукция составляет 1,44 Тл, то нормируемые потери увеличатся в 1,5²/1,44² = 1,085 раза, то есть составят 3Вт/кг×1,085=3,255 Вт/кг.

Вывод: Если сталь 1521, предназначенную для работы при частоте 400 Гц применять в условиях, аналогичных применению стали 1511, то есть при частоте 50 Гц, то магнитные потери в стали 1521 будут меньше, чем в стали 1511.

Вариант 1

1. Определите длину и сопротивление медной проволоки марки МТ диаметром 0,9 мм, если ее масса на катушке составляет 10 кг.

2. Определите, во сколько раз отличается напряжённость электрического поля в хладоне-113 и в опущенной в него изолирующей перегородке из фторлона-3, полагая, что в диапазоне частот 50-100 Гц, диэлектрическая проницаемость этих материалов остается неизменной.

3.У сплава марки 64Н сняли кривую намагничивания при комнатной температуре в диапазоне напряженностей магнитного поля от 50 до 500 А/м. Затем, не ослабляя напряженности, нагрели образец до 120^о С и сняли при этой температуре обратный ход кривой. Постройте на графике результаты опыта.

Вариант 2

1.Между двумя коаксиальными кольцами находится слой затвердевшего алюминия. Определите, как следует изменить толщину этого слоя в расплавленном состоянии, чтобы сопротивление между кольцами не изменилось?

2. Рассчитайте, как соотносятся напряженности поля по концам проходного изолятора из новомикалекса, если один из концов стержня находится при комнатной температуре, а другой нагрет до 600⁰ С.

3. Постройте кривую намагничивания ферритового образца марки 1000НН при частоте 0,1 МГц в диапазоне напряженностей магнитного поля от 0 до 32 А/м.

Вариант 3

1. Электрический ток передается через землю с удельным сопротивлением 120 Ом∙м на расстояние 10 км и возвращается по алюминиевому проводу марки А из проволоки марки АТ сечением 50 мм². Для ввода тока в землю и вывода из нее используются полушаровые электроды. Определить диаметр этих электродов при условии равенства сопротивлений “земляного” провода и провода из алюминия.

2. Выберите среди ударопрочных фенопластов и опишите такую пластмассу для изоляции электротехнического устройства, работающего в условиях облучения электронами, которая бы обеспечивала наибольшую ёмкость устройства и неизменность этой ёмкости при облучении электронами. Рассчитайте радиус полушара, вдавленного с поверхности в эту пластмассу, если его ёмкость - 10 пФ.

3. Полагая температурный коэффициент магнитной проницаемости феррита 3000НМ не зависящим от напряженности магнитного поля, постройте зависимость магнитной индукции от температуры при напряженности 16 А/м в диапазоне температур 0...140 ^оС.

Вариант 4

1. Опишите физические и электрические свойства, область применения хромели и алюмели и определить соотношение их длин при одинаковых сечении и сопротивлении.

2. Определите толщину наружной изоляции одножильного кабеля при условии равенства напряженностей поля частотой 1 кГц на поверхности изоляции и на границе раздела материалов изоляции. Конструкция изоляции следующая: Жила кабеля, имеющая диаметр 4 мм, покрыта слоем изоляции из хлорсульфированного полиэтилена толщиной 2 мм, затем на эту изоляцию нанесен слой кремнийорганического каучука.

3. Образец из феррита IY группы марки 3000 НМС нагрели до 120 ^оС и при этой температуре сняли зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля в диапазоне 0...240 А/м, после чего, не снижая напряженности, образец охладили до комнатной температуры и сняли обратный ход кривой. Постройте на графике полученные зависимости.

Вариант 5

1. Определите сопротивление 1 км военно-полевого провода для телефонной связи. Военно-полевой провод состоит из 7 стальных жил из стали марки 10 диаметром 0,1 мм и одной медной жилы из меди марки МТ того же диаметра.

2. Жила одножильного кабеля, имеющая диаметр 4 мм, покрыта слоем изоляции из хлорированного полиэтилена толщиной 1 мм, затем на эту изоляцию нанесен слой другого полиолефина толщиной 3,45 мм. Определите материал наружной изоляции при условии равенства напряженностей поля частотой 1 МГц на поверхности изоляции и на границе раздела материалов изоляции.

Дата добавления: 2014-01-03