7.4. Содержание отчета Отчет должен содержать :

– описание цели работы;

– схему включения приборов;

– основные расчетные формулы;

– таблицы результатов измерений и вычислений, графики;

– выводы по результатам эксперимента.

7.5. Контрольные вопросы

1. Чем объяснить явление ферромагнетизма у магнитных материалов?

2. Какие вещества относятся к парамагнетикам?

3. от чего зависит величина μ₀?

4. Почему магнитная проницаемость вещества при достижении μ_max уменьшается при увеличении Н?

5. С чем связано появление петли гистерезиса?

6. Что такое Н_C и от чего зависит его величина?

7. Как будет выглядеть кривая намагничивания при медленном изменении знака Н?

8. От каких факторов зависит площадь петли гистерезиса?

9. Как влияет частота перемагничивания f на величину потерь мощности?

10. Чем отличаются магнитомягкие материалы от магнитотвердых?

11. Какие существуют методы, уменьшающие потери мощности от вихревых токов?

8. Лабораторная работа № 6 снятие вольт-амперной характеристики и определение параметров нелинейных сопротивлений на основе карбида кремния

Цель работы: изучить нелинейные свойства одного из видов сопротивления на основе карбида кремния – дисков рабочих сопротивлений вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений (ОПН).

8.1. Общие сведения

Вентильный разрядник служит основным аппаратом защиты изоляции электрических станций и подстанций от перенапряжений. В общем случае он состоит из многократного искрового промежутка и включенного последовательно с ним блока дисков рабочего сопротивления.

К материалу, из которого изготовляются эти диски, предъявляется следующее основное требование – способность резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание больших токов при высоких напряжениях и очень малых токов при пониженных напряжениях. другими словами, он должен обладать нелинейной вольт-амперной характеристикой.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника.

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых, по сравнению с перенапряжениями, рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, т. е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора, и если она недостаточна, то разрядник возможно использовать только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. В настоящее время изготовляют нелинейные резисторы, позволяющие возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений.

В качестве главного составляющего, обеспечивающего нелинейность вольт-амперной характеристики, при изготовлении требуемого материала применяется карбид кремния SiC (карборунд).

На поверхности зерен карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO₂. при небольшом напряжении, приложенном к зерну карбида кремния, удельное сопротивление запорного слоя составляет 10⁴÷10⁶ Ом·м. В то же время удельное сопротивление самого зерна карборунда весьма невелико – около 100 Ом·м. Поэтому практически все приложенное напряжение приходится на запорный слой. Но сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля: при повышении напряженности сопротивление запорного слоя резко падает и величина рабочего сопротивления начинает определяться собственно карборундом. Это приводит к понижению общего сопротивления материала по мере роста приложенного напряжения.

Поскольку сопротивления из несвязанных зерен карбида кремния являются нестабильными (боятся тряски, ударов и легко изменяют свои характеристики), эти зерна скрепляют специальным связывающим веществом. При применении глинистой связки получают материал, называемый «тиритом». В настоящее время в качестве связки используют жидкое стекло, получая так называемые «вилит» и «тервит». Из этих материалов, подвергнутых обжигу, и формируют диски сопротивлений для вентильных разрядников.

Вольт-амперная характеристика диска, В, имеет вид, изображенный на рис. 8.1, и достаточно точно описывается уравнением

, (8.1)

где С – постоянная, зависящая от рода материала и геометрических размеров изготовленного диска (численно равна падению напряжения на данном сопротивлении при протекании через него тока в 1 А), В/А; I – ток, протекающий через диск, А; α – коэффициент нелинейности (показатель нелинейности).

С

Рис. 8.1. Вольт-амперная характеристика диска рабочего сопротивления вентильного разрядника

ледует иметь в виду, что величины С иα остаются постоянными только в определенных диапазонах токов. Для диапазонов токов в несколько килоампер: С' и α'; для диапазонов сопровождающих токов, протекающих под воздействием напряжения промышленной частоты (десятки ампер): С'' и α''. Коэффициент нелинейности является важной характеристикой материала, из которого изготовлен диск; от его значения во многом зависят защитные свойства вентильных разрядников. Используемый в настоящее время вилит имеет величину α' = 0,13÷0,20 (в диапазоне грозовых токов 3÷5 кА) и α''= 0,28÷0,32 (в диапазоне величин сопровождающего тока промышленной частоты 50÷70 А). У тервита значение коэффициента α' = 0,2÷0,28; используемый ранее тирит имел соответственно α' = 0,14÷0,25 и α'' = 0,31÷0,42.

В последнее время разработаны резисторы металло-оксидные диски на основе окиси цинка. Такие резисторы обладают значительно большей нелинейностью. Коэффициент нелинейности резисторов в области коммутационных перенапряжений имеет значение 0,030,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи достигают значений нескольких килоампер, коэффициент нелинейных возрастает до 0,070,1. Наличие резисторов с такими коэффициентами нелинейности позволило отказаться от искровых промежутков вентильных разрядников. защитные аппараты названы ограничителями перенапряжения (ОПН).