Разрушающие методы испытаний изоляции. Виды испытательных воздействий при испытаниях внешней изоляции. Испытательные устройства.

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 9Следующая ⇒

Разрушающие методы испытаний внутренней изоляции. Виды воздействий при испытанияхвнутренней изоляции. Испытательные устройства.

Неразрушающие методы испытания изоляции, назначение, применяемая аппаратура и информативность получаемых результатов.

Качество изоляции

Качество технической изоляции определяется не только культурой производства, но и налаженной службой контроля или проверки соответствия качества изоляции ГОСТу или заводским нормам. Контроль за качеством изоляции на производстве при изготовлении и выпуске электротехнического оборудования и профилактика изоляции в эксплуатации направлены на выявления ее дефектов с последующей заменой или восстановлением поврежденного изоляционного участка.

В изоляционной конструкции различают местные и общие дефекты.

Местные дефекты сосредоточены на небольшом участке изоляции и проявляются в виде газовых (воздушных полостей) и металлический включений, примесей, а также в виде механических и технологических нарушений (микротрещин, заусениц, морщин, смещений слоев ленты, вмятин и т. п.). Общие дефекты наиболее распространены, среди них чаще обнаруживается проникающая влага в изоляцию, реже выявляются дефекты развитого газового включения и проводящей примеси.

Разрушение изоляции в начале эксплуатации протекает медленно, а в конце - носит скачкообразный характер.

Методы контроля за качеством изоляции - это разрушающие методы при испытании повышенным напряжением и обнаружение дефектов под воздействием напряжения ниже номинального уровня или рабочих напряжений без разрушения изоляции.

Опыт применения профилактических испытаний высоковольтной изоляции сводится к повышению надежности изделий в работе или к снижению вероятностей отказов электрооборудования.

Испытание изоляции повышенным напряжением

Изоляция электрооборудования в условиях эксплуатации Подвергается воздействию рабочего напряжения, перенапряжений внешнего и внутреннего характера и физико-механических факторов - теплового поля, вибраций, электродинамических усилий и т.д. Пооперационные испытания повышенным напряжением позволяют оценить способность изоляции противостоять таким воздействиям.

Повышенное испытательное напряжение должно:

- эффективно обнаружить все виды дефектов;

- не старить изоляцию, т.е. не развивать дефект, если он выдержал

испытания;

- дать распределение напряженности поля по изоляции во время испытания идентичное перенапряжению во время эксплуатации;

- установки повышенного напряжения должны быть транспортабельны. простые в обслуживании и электробезопасны.

В понятие эффективности испытания вкладывают различное содержание, вследствие чего сравнение эффективности испытаний, проводимых различными специалистам затруднительно, а порой невозможно. Одни оценивают эффективность испытаний отношением числа выявляемых дефектов к числу испытаний машин, другие определяют отношение числа выявленных дефектов при испытаниях к числу машин, изоляция которых повреждена в эксплуатации за период времени между двумя испытаниями В обоих случаях такой подход формальный. В ряде случаев дается оценка эффективности испытаний с применением нескольких форм испытательных напряжений и при неоправданно завышенных величинах испытательного напряжения. Наряду с большим числом пробоев изоляции во время испытаний ожидается кумулятивный эффект в ней и, как следствие, аварийность изоляции в эксплуатации. не снижается. Все вышесказанное относится как к традиционным испытаниям повышенным напряжением, существующим в настоящее время в Нормах и ГОСТах (это повышенное переменное напряжение промышленной частоты в течение 1 мин и выпрямленное в течение 5 Мин, а также импульсное напряжение стандартной волны 1,5/40 мкс и срезанной - 1,5/2 мкс – «трех ударный метод»), так и к нетрадиционным - это другие формы повышенных напряжений: трапецеидальная (завод «Электросила»), сверхнизкочастотная 0,1 Гц (СIIIА). полупериод напряжения 50 Гц (Нидерланды, ЛПИ им. М.И. Калинина). Анализ форм испытательных напряжений сведен в таблицу 2.I

Таблица 2.1. Показатели различных форм повышенных напряжений

Формы повш. напряж, ед.СИ	Эффектив-ть	Эл. старение	Иидентичность	Трансп., прост. обслуж., эл./безоп.	примеч
Перемен. 50 Гц в течение 1 мин	0	0	+	+	ав. экс
Выпрямл. 5 мин.	0	+	-	-	-
Импульс.напрж. 1,5/40 мкс	+	+	0	-	-
Полупер. 59 Гц	+	+	0	+	-
СНЧ 0,1 Гц	+	-	-	-	-
Трапецеидальн.	+	0	0	-	-

П р и м е ч а н и е: «+» - полностью удовлетворяет требованию; «-»- не удовлетворяет; «0» - частично удовлетворяет

Устройство полупериода 50 Гц для получения высокого напряжения

В области разрушающего метода электрических испытании высоковольтной изоляции электрических машин известны два способа оценки ее качества. Для пазовой изоляции испытания ведут повышенным переменным напряжением промышленной частоты в течение 1 мин, а лобовую изоляцию - повышенным выпрямленным напряжением в течение 5 мин. Однако установлено, что переменное напряжение вызывает явление частичных разрядов в области дефекта, что способствует развитию электрического старения в изоляции. Кроме того, оно может привести к развитию скользящего разряда по поверхности изоляции лобовой части. Именно поэтому в заводских условиях испытание изоляции лобовой части обмоток крупных электрических машин проводят повышенным выпрямленным напряжением. но при этом дефекты изоляции пазовой части не выявляются.

Исключить недостатки двух форм напряжений может устройство, создающее повышенное напряжение полупериода частотой 50 Гц.

В первых, такая форма напряжения характерна для большинства амплитуд внутренних перенапряжений, например, поступающих на вводы высоковольтных машин собственных нужд крупных электростанций. Во вторых, анализ большого статистического материала по электрической прочности для разной изоляции электрических машин показал, что во время испытаний таким напряжением изоляция не старится, а эффективность обнаружения дефекта не хуже, чем при испытании повышенным напряжением промышленной частоты. Напряжением полупериода 50 Гц можноиспытывать изоляцию стержней крупных генераторов с номинальным напряжением 23 кВ, при этом не наблюдается перекрытия по лобовой части обмоток, несмотря на то, что амплитуда напряжения в 1,5 - 2 раза выше, чем при испытаниях переменным напряжением. Режим испытания напряжением полупериода 50 Гц устанавливается 50 - 80 полупериодов со скважностью 1 с и с величиной испытательного напряжения согласно таблице 2.2.

Таблица 2.2. Нормы пооперационных испытательных напряжений полупериода 50 Гц

ИСПЫТАНИЯ	Напряжение полупериода 50 Гц
Заводские 1. Стержни (катушки) до укладки 2. То же после укладки их в пазы 3. То же после пайки и изолировки соединений 4. Приемо – сдаточное Профилактические 1. Послеремонтные 2. Эксплуатационные	1,5 (2,75 U_н + 6,5) 1,3 (2,5 U_н +4,5) 1,3 (2,25 U_н + 4,0) 1,3 (2,0 U_н + 3,0) 1,3 (2,0 U_н + 3,0) 1,5 (1,5 – 1,7) U_н

В соответствии с данными табл. 3.2 проводят испытания стержней (катушек), вводимых в эксплуатацию электрических машин, а также находящихся в эксплуатации. Изоляция каждой фазы или ветви испытывается отдельно при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом машины.

Функциональная схема высоковольтногоустройства с напряжением полупериода 50 Гц по рисунку 2.1 может быть выполнена на базе любого высоковольтного испытательного трансформатора типа ИОМ или стационарных испытательных заводских установок повышенного напряжения для контроля изоляции, например, типа АИИ-70. В схеме однофазное переменное напряжении с соблюдением фазности одновременно подается на регулятор напряжения 2 и на блок управления 7. Регулятор 2 меняет напряжение от О до максимального значения, а блок 7 позволяет осуществить задержку входного напряжения частотой 50 Гц. Тиристор З работает в ключевом режиме с углом задержки = 60^оУправляющий сигнал с блока 7 позволяет плавно менять время между полупериодами (скважность) от долей секунды до нескольких секунд. Тиристор З пропускает в течение 1 мин оптимальное число полупериодов на уровне 50 - 80 положительной (отрицательной) полярности. Высоковольтный трансформатор 1 передает во вторичную цепь испытуемого объекта ИО повышенное напряжение, близкое полупериоду 50 Гц. Осциллограф, подключенный к делителю напряжения ДН, показывает форму напряжения, которая приводится на рисунке 2.2.

Амплитуду испытательного напряжения можно измерить осциллографом или шаровым разрядником ШР. Во время пробоя изоляции, на испытуемом объекте ИО, в первичной цепи обмотки трансформатора 1 растет ток. Для защиты тиристора З и температурной компенсации от возрастающего тока в первичной цепи включен диод 4, а параллельно включенные диод 5 и резистор 6 исключают переходный процесс в обмотке трансформатора 1.

При оценке качества изоляции соблюдается нижеприведенная методика изменения напряжения полупериода 50 Гц на выходе установки.

Напряжение повышается ступенями через 5 кВ до значения пробивного или испытательного напряжения согласно таблице 2.2. При этом на каждой ступени могут быть подан один или 50 - 80 полупериодов напряжения, которые фиксируются счетчиком. Устройство высокого напряжения полупериода 50 Гц представляет интерес для энергосистем, энергоремонтных предприятий и заводов- изготовителей, где проводят электрические испытания высоковольтной изоляции, что позволит, с одной стороны. исключить электрическое старение и сколъзящий разряд во время испытаний изоляции, а с другой
- заменить две формы испытательных напряжений при контроле изоляции электрических машин (переменную 59 Гц и выпрямленную) одной формой – напряжением полупериода 50 Гц.

Неразрушающий метод контроля изоляции

Такой контроль построен на оценке процессов медленной поляризации, которая происходит в изоляции. Изоляция может быть представлена параллельной схемой замещения, приведенной на рисунке 2.3. Первая ветвь ее состоит из емкости С_i (мгновенные поляризации c импульсным током I_i),вторая - из емкости С и сопротивления r (релаксационные поляризации cабсорбционным током I_асб),третья - из сопротивления R, когда протекают токи проводимости I_пр. Суммарная емкость схемы равна

С₀ = С_i+ С,

где С = С₀ - С_i- емкость поляризационных процессов в изоляция, по которой течет абсорбционный ток I_абс= (U/ г) е^-^t^/^T, изменяющийся с постоянной времени Т.

Через емкость С_i протекает импульс тока I_i заряда емкости или токи поляризации, которые считаются мгновенными. Релаксационные поляризация характерны для оценки не только абсорбционных токов, но и токов сквозной проводимости I_пр= U/ R, протекающих через сопротивление Rи обусловленных сквозными путями утечки в изоляции при образовании мостика из влаги. На схеме замещения можно рассмотреть многие из способов контроля изоляции неразрушающим методом. Поляризационные явления, как и каналы сквозной проводимости, связываются в основном с увлажнением изоляции. Поэтому качество изоляции определяется по оценке токов в схеме замещения

17. Проводники. Проводниковые резистивные материалы. Свойства проводников.

Проводники. Проводниковые резистивные материалы. Свойства проводников.

Проводниковые материалы.

Свойства и функции проводниковых материалов (ПМ). Электропроводность ПМ. Проводники 1,2 и 3 родов. Структурная схема проводников. Факторы, определяющие электропроводность ПМ. Сверхпроводимость ПМ. Термоэлектродвижущая сила. Контакты. Материалы высокой проводимости высоко сопротивления. ПМ микроэлектроники. Припои.

Литература [1,3,6,7].

Проводниковые материалы - это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное электрическое сопротивление мало, и составляет от 10^-8 до 10^-4 Ом∙м. Проводники могут быть твердыми веществами: кристаллические металлы и сплавы, углерод – это проводники 1рода; жидкими – электролиты – это проводники 2 рода; газообразными – газоразрядная плазма – проводники 3 рода.

Проводники 1 рода (рис. 3.1) практически не имеют запрещенной зоны, так как зоны валентная и проводимости у них перекрываются.

Металлы обладают металлическим типом химической связи, при которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах (междуузлиях) кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами, так как они отдали свои электроны «в общее пользование». В такой системе имеет место большое количество свободных носителей заряда – электронов.

Рис. 3.1. Структурная схема проводников.

В металлических проводниках имеется большое количество свободных носителей заряда – электронов, поэтому их электропроводность велика. Формула электропроводности проводников

γ = q∙N∙u ,

где N - концентрация свободных носителей заряда, м^-3;

u - подвижность носителей заряда, м²/В∙с;

q - величина заряда носителя, Кл.

Наибольшей электропроводностью обладают Ag, Cu, Au и Al, у которых большое количество электронов ( 10²⁸ ) в одном кубическом метре и их число практически не зависит от содержания примесей или от температуры, но подвижность примесей оказывает большое влияние, создавая своим присутствием дополнительные препятствия направленному движению электронов в электрическом поле. Повышение температуры также уменьшает электропроводность, так как уменьшается подвижность электронов в результате тепловых колебаний кристаллической решетки и увеличения хаотического движения электронов.

Температурный коэффициент ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину (3∙10^-3...4∙10^-3) 1/град.

С увеличением температуры удельное сопротивление обычно растет. При инженерных расчетах пользуются формулой:

ρ_t = ρ₀∙[1 + α_ρ∙(t – t₀)], (3.1)

где ρ_t - удельное сопротивление при температуре t;

ρ₀ - удельное сопротивление при комнатной температуре (обычно t = 20 °С);

α_ρ - средний температурный коэффициент удельного сопротивления.

Механическая обработка металлов вызывает искажение кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного сопротивления.

Чистые металлы более чувствительны к температуре, поэтому используются в качестве термосопротивлений, а их твердые растворы Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr и другие - в качестве высокостабильных образцовых сопротивлений.

Все металлы ПМ делят на металлы высокой проводимости ρ < 0,05 мкОм∙м, сплавы высокого сопротивления ρ > 0,5 мкОм∙м и сверхпроводниковые материалы, имеющие чрезвычайно малое ρ, которые ниже определенной температуры (для каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее состояние, т.е. их сопротивление постоянному току становится практически равным нулю. Если металл переходит в это состояние скачком – это сверхпроводник 1-го рода, если плавно – сверхпроводник 2-го рода (как правило это сплав).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической (Т_кр), выше этой температуры сверхпроводник переходит в обычное проводящее состояние.

Очень кратко сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при определенных условиях образуются пары электронов (куперовские пары), имеющие противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с кристаллической решеткой – один электрон, отдавая ей свой импульс, переводит ее в возбужденное состояние; второй электрон этой пары забирает переданный решетке импульс и тем самым переводит ее в нормальное (первоначальное) состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися фотонами, возникает сила взаимного притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но все они движутся согласованно, электронные волны их имеют одинаковые длины и фазы.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что движение всех электронных пар в металле можно описать как распространение одной (суммарной) электронной волны, которая не рассеивается кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в образовании этой волны, т.е. собственные колебания решетки согласованы с электронной волной, имеют те же длины волн и фазы.

Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника (который затем выключается) в сверхпроводящей цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней поддерживать определенные условия.

Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии в них не проникают, выталкиваются.

На разрыв электронных пар и переход в нормальное (несверхпроводящее) состояние требуется затрата определенной энергии, например: температуры, превышающей критическую Т_кр; магнитного поля, превышающего Н_кр (для каждого металла Н_кр – свое); электрического тока, величина которого вызывает на поверхности сверхпроводника критическое магнитное поле – Н_кр.

Если энергия этих воздействий больше сил связи между электронными парами – они разрушаются, а металл теряет свое сверхпроводящее состояние, становясь обычным проводником.

Надо заметить, что не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Например, такие хорошие проводники при нормальных условиях как медь и серебро, не переходят в сверхпроводящее состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю.

В таблице 3.1 приведены некоторые проводниковые материалы, способные становиться сверхпроводниками при низких температурах, их критические тепловые и критические магнитные поля.

Таблица 3.1

Материал	Критическая температура Т_кр, К	Критическое магнитное поле Н_кр, кА/м
Цинк (Zn)	0,88	4,24
Алюминий (Al)	1,2	8
Кадмий (Cd)	0,56	2,5
Ртуть (Hg)	4,15	32,8
Свинец (Pb)	7,2	64,5
Ниобат олова (Nb₃Sn)	18,1	19,5∙10³

Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля.

Сейчас ведутся работы по созданию высокотемпературных сверхпроводников. Предполагается, что ими будут керамические материалы.

Если два различных металла или сплава приводятся в плотное соприкосновение, между ними может возникать контактная разность потенциалов (КРП). Причина ее появления состоит в неодинаковой величине работы выхода электронов из металлов, а также в различной плотности свободных электронов у разных металлов.

Если взять два разных проводника − А и В (рис. 3.2) с работами выхода электронов W_выхА и W_выхВ; плотностью электронов n_А и n_В, то при соотношении, например, W_выхА < W_выхВ и n_А > n_В, электроны из А перейдут в приграничном слое контакта в В (градиент концентрации электронов!), нарушится электронейтральность и на границе соприкосновения появится контактная разность потенциалов, направление которой показано стрелкой.

Рис. 3.2 Контактная разность потенциалов (W_A<W_B, n_A>n_B)

Контактная разность потенциалов определяется по формуле:

, (3.2)

где U_A и U_B – потенциалы соприкасающихся металлов;

n_0A и n_0B – плотности электронов в А и В, м^-3;

К – постоянная Больцмана, К=1,38∙10^-23 Вт/град;

q – заряд электрона, 1,6∙10^-19 А∙с;

Т – абсолютная температура, К.

Если температура спая (Т_г) будет больше температуры (Т_х) концов проводников, между которыми включить измерительный прибор, то в замкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, которую можно определить по формуле

. (3.3)

Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС должны учитываться при изготовлении точных измерительных приборов; чтобы не вносить погрешности в измерения, надо подбирать такие контактирующие металлы, между которыми возникает как можно меньшие КРП и термо-ЭДС, например, между медью и манганином возникает термо-ЭДС порядка (2...3) мкВ/град, а между медью и константаном (40...50) мкВ/град. Это явление используется для изготовления термопар – измерителей температуры.

Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить: медь-константан, хромель-копель, которые используются для измерения температур до 300...500 °С, хромель-алюмель - до 900...1000°С и др.

Большой процент выхода электрической аппаратуры из строя происходит за счет процессов, происходящих на контактах. Поэтому при выборе материалов для контактных пар нужно учитывать: условия их эксплуатации, окружающую среду; взаимодействие материалов друг с другом (термо-ЭДС , взаимная диффузия), твердость, окисляемость и т.д.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в радиоэлектронике, являются разрывные и скользящие. При этом материалы должны обеспечивать их высокую надежность: исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, приваривания друг к другу, сильного окисления и др.

В качестве контактирующих материалов при разрывных контактах применяют чистые тугоплавкие металлы, различные сплавы и металлокерамические композиции, например:

Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo идр.

Наибольшая проводимость наблюдается у Ag (ρ = 1,585·10 ⁻⁸Ом·м при 20 °С); следующие в ряду - Сu (ρ = 1,673 ·10 ⁻⁸ Ом·м) Аu (ρ = 2,084 • 10 ⁻⁸ Ом·м) и А1 (ρ = 2,691·10^-8 Ом·м). Электропроводность Сu определяется уровнем примесей. Применяют Сu марок МООб, МОб, Ml б (бескислородная), раскисленную М1р, М2р, МЗр, рафинированную М2, МЗ и некоторые другие сорта. В микроэлектронике используют медь, переплавленную в электронно-лучевой установке (МЭ), с содержанием 99,999 % Си по массе. Медь широко используется как в проводах, так и в виде фольги толщиной 5, 18, 50, 70, 105 мкм (чистота 99,5 %, высота микронеровностей 0,4 - 0,5 мкм).

Алюминий второй после меди проводниковый материал. По ГОСТ 11069-74 различают алюминий особо чистый А999, высокой чистоты А995-А95 и технической чистоты А85-АО. В микроэлектронике используют А999.

Серебро марок Ср999,9 и Ср999 используют в слабонагруженных контактах, в припоях и СВЧ-технике. Золото марок Зл999,9 и Зл999 в качестве микропроволоки и фольги применяются в интегральных микросхемах.

Материалы высокого сопротивления используют в ЭС при изготовлении образцовых резисторов, реостатов, нагревательных элементов в составе термопар (константан). Наибольшее распространение получили манганин (Cu-Mn-Ni), константан (Cu-Ni) и хромоникелевые сплавы. Нихром (Х20Н80) широко используется в микроэлектронике.

К проводниковым материалам относят и припои, которые предназначены для электрического и механического соединения проводников. Припои делят на две группы: мягкие, с температурой плавления до 300 °С и твердые, с температурой плавления свыше 300 °С. Предел прочности на разрыв у мягких 16 - 100 МПа, а у твердых 100 - 500 МПа. В припои входят различные компоненты: олово - О, свинец - С, серебро - Ср, палладий - Пд, медь - М, германий - Г, висмут - В, титан - Т, сурьма - Су, алюминий - А, никель - Н, индий - Ин, золото - Зл, кремний - Кр, кадмий - К.

Для тонкопленочных резисторов ИС (толщина резистивных пленок 0,01 - 0,1 мкм) используются тугоплавкие металлы и сплавы, композиционные материалы (силициды керметы), а также двуокись олова SnO₂. Это хром, тантал, рений, нихром, кремниевые резистивные пленки (Si-Cr-Ni-Fe) марок PC; металосилицидные сплавы МЛТ (Si-SiO₂-Fe-Cr-Ni-Al-W).

Для толстопленочных резисторов (толщина 10-20 мкм) используют серебропалладиевые и рутениевые пасты. Это дорогие пасты, поэтому разработаны более дешевые резистивные пасты на основе полупроводниковых оксидов ( SnO₂ + SbO₂, Te₂O₂).

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1307; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!