Контрольная работа: Электротехнологическое и конструкционное материаловедение

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Иркутский НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ технический университет

Межрегиональный центр повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«Электротехнологическое и конструкционное материаловедение»

Выполнил студент

И.Л. Саенко

Иркутск 2021 г.

Задание №1

При испытаниях изоляции провода его погружают в воду и подают на жилу напряжение. Найти напряжение, при котором должен был бы произойти электрический пробой изоляции из хлорированного полиэтилена, если изоляция толщиной 1 мм не имеет дефектов, а сечение жилы - 6 мм2.

Определение величин, необходимых для выполнения задания.

При испытании кабеля в воде электрическое поле, воздействующее на изоляцию, имеет радиально-цилиндрическую конфигурацию. Пробой изоляции начнёт развиваться, если в изоляции на границе с жилой напряжённость электрического поля превысит электрическую прочность хлорированного полиэтилена. Напряжённость поля определяется по выражению:

Расстояние от оси кабеля до поверхности жилы r = r1 = ; до внешнего электрода (воды) r2 = + 1мм. Для выполнения задания (вычисления напряжения U) необходимо знать электрическую прочность хлорированного полиэтилена.

Электрической прочностью, E_пр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой диэлектрика.

Описание материалов.

Хлорированный полиэтилен относится к органическим синтетическим карбоцепным полимерам группы полиолефинов /1, стр. 103-107/. Полиолефины, это полимеры, образующиеся при полимеризации олефинов. Полиэтилен получается в результате полимеризации этилена при высоком, среднем или низком давлениях. Хлорированный полиэтилен (ХПЭ) - это полиэтилен, модифицированный хлором. Введение хлора в макромолекулу полиэтилена приводит к снижению кристалличности, изменению температур размягчения, стеклования и др. Так при содержании 16-25% хлора ХПЭ - это термопласт, характеризующийся высоким относительным удлинением (до 1700%) и хорошей холодостойкостью. ХПЭ с 26-48% хлора - эластомер. ХПЭ с 49-60% хлора - кожеподобный продукт, а при дальнейшем увеличении содержания хлора - стеклообразный продукт.

Таблица 1. Свойства полиэтилена высокой плотности, хлорированного в растворе (25% хлора):

Применяют ХПЭ эластомеры для изоляции проводов и кабелей.

Решение.

Радиус провода r = = =1,38мм; D=2,38мм; Е_пр =30 МВ/м.

Вывод.

Пробивное напряжение провода в изоляции из хлорированного полиэтилена превышает 22 кВ.

Задание №2

Опишите свойства электроизоляционных кабельных резин. 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.

Определение величин, необходимых для выполнения задания.

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:

Неизвестным параметром в этом выражении является удельное сопротивление резины - с_{резины.}

Удельное электрическое сопротивление, с - это параметр вещества, численно равный сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м², измеренному в плоско-параллельном поле.

Можно предположить, что при увлажнении удельное сопротивление изоляции снижается. Если оно снизится таким образом, что сопротивление изоляции в целом станет ниже 38 кОм, то должно сработать УЗО.

Критическое значение удельного электрического сопротивления резины:

Ом*м

Описание материалов.

Резина представляет собой вулканизированную многокомпонентную смесь на основе каучуков /1/. Резиновая смесь изготавливается путём введения в каучук минеральных или углеродных порошкообразных наполнителей (мел, тальк, каолин, техуглерод), вулканизирующих агентов и др.

Каучуки бывают натуральные и синтетические. Натуральный каучук является естественным продуктом коагуляции[2] частиц, содержащийся в соке, который извлекают из стволов каучуковых деревьев, растущих в странах с тропическим климатом. Синтетические каучуки являются продуктом полимеризации (вулканизации) смесей разнообразных химических веществ: изопрена, бутадиена, стирола, изобутилена, этилена, пропилена, хлоропрена и др.

Резины типа РТИ относятся к кабельным изоляционным резинам, то есть применяются при изготовлении кабелей наряду с изоляционно-защитными резинами, резинами для защитных оболочек и электропроводящими резинами. Для изоляции, допускающей длительный нагрев токопроводящей жилы до 65 ⁰ С, применяются резины на основе каучуков общего назначения типов РТИ-0, РТИ-1, РНИ, а также изоляционно-защитные резины типов РТИШ и РТИШМ. Наиболее широко для изолирования кабелей, проводов и шнуров применяют резины типа РТИ-1. Они отвечают эксплуатационным требованиям всех кабельных изделий на переменное напряжение до 660 В и постоянное до 1000 В.

Прочность при растяжении резины РТИ-1 составляет 5,88 МПа, а относительное удлинение при разрыве не менее 350 % /1/.

Таблица 2. Электрические характеристики резин типа РТИ-1 в зависимости от времени увлажнения показаны в таблице:

В таблице помимо удельного электрического сопротивления приводятся также значения тангенса угла диэлектрических потерь (tgд), диэлектрической проницаемости (е) и электрической прочности (E_пр).

Углом диэлектрических потерь, д (дельта) называют угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость, е является мерой поляризации вещества в электрическом поле.

Электрической прочностью, E_пр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой.

Решение.

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:

r₁ = =

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:

Ом*м

Ом*м

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.

Задание №3

Опишите электротехнические стали с нормированными магнитными свойствами в переменных полях, в частности, стали 1511 и 1521. 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.

Определение величин, необходимых для выполнения задания.

Магнитные потери являются нормированной характеристикой электротехнической стали, и даются в справочниках. Поскольку справочные данные приводятся при определённых условиях (например, при определённой напряжённости магнитного поля или определённой индукции в материале), то можно предположить, что данная в задании напряжённость поля (и соответствующая ей индукция) не соответствуют нормированным условиям. Для оценки потерь необходимо привести условия задания к нормируемым. Для этого воспользуемся выражениями для потерь на перемагничивание: P_гист = б B^(1,6…2)f, и на вихревые токи: P_вихр = в B²f².

В этих выражениях В и f, соответственно индукция и частота, соответствующие нормируемым условиям определения потерь. Если их найти в справочных данных, то можно определить коэффициенты б и в, а по ним - привести потери к условиям, заданным в задании. Возможно, потребуется пересчёт заданной напряжённости поля в индукцию по выражению:

где м - магнитная проницаемость рассматриваемых сталей при заданной напряжённости магнитного поля Н.

м₀=4р?10^-7Гн/м

Сталь -это сплав железа с углеродом при содержании углерода менее 2,14 %.

Магнитные потери -превращение энергии электромагнитного поля в тепло за счёт перемагничивания и вихревых токов. Вихревые токи - токи, возникающие в электропроводящем магнитном материале по закону электромагнитной индукции (при переменном магнитном потоке)

Магнитная индукция (В) -векторная величина, равная плотности магнитного потока в заданной точке: В = dФ/dS /2.

Магнитная проницаемость, м -это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля.Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной м₀.

Описание материалов.

Электротехнические стали с нормированными свойствами в переменных полях относятся к магнитомягким металлическим материалам. Электротехнические стали обычно легируются кремнием. Легирование кремнием вызывает: уменьшение коэрцитивной силы, увеличение удельного сопротивления и снижения потерь на вихревые токи, некоторое снижение индукции насыщения, большую магнитную проницаемость в слабых и средних полях вследствие магнитной мягкости материала.

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;