POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WASZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTYCZNY INSTYTUT ELEKTOTECHNIKI TEOETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFOMACYJNO-POMIAOWYCH ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTOMAGNETYCZNEJ PACOWNIA MATEIAŁOZNAWSTWA ELEKTOTECHNICZNEGO ĆWICZENIE 1 WYZNACZANIE KONDUKTYWNOŚCI MATEIAŁÓW PZEWODOWYCH

2 MATEIAŁY PZEWODZĄCE 1. Wprowadzenie Materiały przewodzące są to takie materiały, w których przewodnictwo ma charakter czysto eektronowy i wyraża się zaeżnością: γ = n e k S m = 1 Ω m gdzie: n koncentracja eektronów w materiae [m -3 ] e ładunek eektronów [C] m 2 k ruchiwość eektronów w materiae V s Do materiałów przewodzących naeżą metae i ich stopy. Wartość przewodności tych materiałów jest uzaeżniona od kiku czynników, a mianowicie: a) rodzaju materiału i jego budowy b) czystości materiału, czyi zawartości obcych domieszek c) obróbki mechanicznej na zimno d) temperatury We wzorze /1/ zaeżnie od rodzaju materiału (przyczyna a), jak i w pewnym stopniu na skutek obecności domieszek (przyczyna b) zmienia się koncentracja eektronów (n). Natomiast zarówno domieszki (przyczyna b), obróbka mechaniczna na zimno (przyczyna c) jak i wzrost temperatury (przyczyna d) wpływają na zmniejszenie ruchiwości eektronów (k), czyi na uzyskiwaną skierowaną prędkość przemieszczania się eektronów, przypadającą na 1kV przyłożonego napięcia. W sumie obecność domieszek, obróbka mechaniczna na zimno, i wzrost temperatury powodują pogorszenie konduktywności materiału. 2. Podział i charakterystyka ogóna Materiały przewodzące można podzieić z punktu widzenia zastosowania na: a) przewodowe b) oporowe c) stykowe Ze wzgędu na różne własności tych 3 grup materiałów przewodzących, wymagają one oddzienego omówienia Charakterystyka ogóna materiałów przewodowych Podstawowe wymagania da materiałów przewodowych to: a) wysoka wartość przewodnictwa eektrycznego, co pozwaa na uzyskiwanie, przy danym przekroju przewodów, możiwie małych spadków napięcia i start energii w czasie długotrwałego przepływu przez przewód prądu eektrycznego, b) wysoka wartość wytrzymałości mechanicznej, szczegónie na rozciąganie i zginanie, da sprostania warunkom występującym w ekspoatacji (np. naciąg przewodów napowietrznych, oddziaływanie sił eektrodynamicznych miedzy szynami w rozdzieni itp.), c) niezmienność w czasie własności eektrycznych i mechanicznych pod wpływem warunków środowiskowych (np. utenianie, zmiany temperatury, niszczące działanie siarki itp.), d) możiwe niska cena materiałów przewodowych ze wzgędu na ich masowe zastosowanie w eektrotechnice. /1/

3 Wymagania te spełniają przede wszystkim dwa czyste metae: miedź i auminium oraz niektóre stopy miedzi i auminium z innymi metaami jak: mosiądze, brązy, adrey, siumin oraz durauminium. Wymienione wyżej wymagania spełniają częściowo również srebro i żeazo. 3. Własności, technoogia i zastosowania materiałów przewodzących Kika podstawowych własności niektórych materiałów przewodowych zestawiono w tabicy /1/. Daej omówiono ich zastosowanie, a da najważniejszych z tych materiałów podano w skrócie technoogię wytwarzania wyrobów eektrotechnicznych. Tabica /1/ Materiał Własność Stopień czystości Koncentracja eektronów uchiwość eektronów Konduktywność Temperaturowy współczynnik przyrostu rezystancji Wytrzymałość na rozciąganie Ciężar właściwy n k γ α r δ 20 % cm -3 cm 2 V s MS m 1 deg MN m 2 N m 3 Ag (czyste) 99,90 5, ,50 0, , Cu (czyste) 99,99 8, ,77 0, Cu (miękkie) 99,95 57,00 0,0041 >265 88, A (czyste) 99,99 8, ,20 0, A (twarde) 99,50 34,80 0,0040 >176 27, Mosiądz (ciśn.) 15,38 0, , Fe (czyste) 10,30 0,0059 Sta węgowa do 1,7%C 7,00 0, , SEBO: Wymienione na początku tabei srebro, mimo najwyższej wartości konduktywności, nie nadaje się, ze wzgędu na cenę i ograniczone zasoby do masowego stosowania jako materiał przewodowy. Znajduje ono zastosowanie jedynie jako materiał na druciki topikowe w bezpiecznikach wysokiego napięcia, oraz służy do pokrywania powierzchniowego niektórych eementów miedzianych. MIEDŹ: Najpowszechniejszym ze stosowanych materiałów przewodowych jest niewątpiwie miedź. Odznacza się dużą konduktywnością, dobrą wytrzymałością mechaniczną, a dzięki wiekiej ciągiwości znakomicie nadaje się do obróbki pastycznej. Ponadto przewody miedziane dają się łatwo łączyć na drodze utowania. Miedź wykazuje na ogół dobrą odporność na warunki atmosferyczne. Natomiast do wad miedzi naeżą, trudność obróbki skrawaniem, złe własności odewnicze, skłonność do korozji w obecności siarki i jej związków oraz stosunkowo wysoka cena. Przy zastosowaniu stopów miedzi z innymi pierwiastkami uzyskujemy, kosztem zmniejszenia przewodności eektrycznej, inne cechy takie jak: podatność na obróbkę skrawaniem, na tłoczenie ub odewanie gdy miedź łączymy z cynkiem (mosiądz) ub z innymi metaami (brąz teurowy ub auminiowy),

4 odporność na ścieranie (brąz kadmowy), dużą twardość i wytrzymałość mechaniczną (brąz beryowy), dużą sprężystość (brąz krzemowy), mały współczynnik tarcia (brąz fosforowy). Surowce służące do wytwarzania wyrobów miedzianych to miedź eektroityczna (99,9% Cu) otrzymywana przez eektroizę miedzi hutniczej ub też epiej tzw. miedź beztenowa (99,95% Cu), otrzymywana drogą specjanego przetopu miedzi eektroitycznej. Da uzyskania żądanego kształtu wyrobu stosuje się obróbkę pastyczną na gorąco (np. wacowanie bach miedzianych), a przede wszystkim obróbkę pastyczną na zimno (np. wacowanie na zimno, przeciąganie przez kaibrowane otwory, wytłaczanie). Otrzymuje się w ten sposób druty, pręty, foie, bachy płaskowniki itp. Ze wzgędu na utwardzenie produktu przez zgniot przy obróbce pastycznej stosuje się, w zaeżności od potrzeby, wyżarzanie, otrzymując materiał półtwardy ub miękki. Z miedzi wykonuje się przede wszystkim druty nawojowe do siników, generatorów, dławików i cewek eektromagnesów. Ponadto z miedzi wykonuje się przewody instaacyjne giętkie (inki) do odbiorników przenośnych oraz przewody sztywne (druty) do instaacji niskiego napięcia. W postaci bach, płaskowników i prętów wykonuje się eementy aparatów eektrycznych i rozdzienic. Mosiądze i brązy używa się na części przewodzące urządzeń i aparatów eektrycznych wysokiego napięcia, wymagających specjanych własności, których nie może zapewnić czysta miedź. ALUMINIUM: Drugim po miedzi, powszechnie stosowanym materiałem przewodowym jest auminium. Ma ono wprawdzie około 1,5-raza mniejszą konduktywność w odniesieniu do miedzi, co zmusza do stosowania większych przekrojów da przepuszczenia tej samej wartości prądu, jednakże dzięki około 3 razy mniejszemu ciężarowi właściwemu auminium w stosunku do miedzi, uzyskuje się i tak mniejszy ciężar przewodów. Pod wzgędem wytrzymałości mechanicznej w normanych warunkach auminium jest około 2-krotnie słabsze od miedzi, przy tym ze wzgędu na stosunkowo niską temperaturę topnienia (675ºC) wytrzymałość ta jest wyraźnie zaeżna od temperatury pracy. Auminium jest metaem pastycznym i ciągiwym, w związku z tym pod wpływem niezbyt dużych, ae długotrwałych obciążeń wykazuje niekorzystne zjawisko płynięcia. Wobec szybkiego pokrywania się ścisłą i nieprzewodzącą warstwą tenku ginu A 2 O 3 jest to meta bardzo odporny na korozję pod wpływem wieu związków chemicznych (również siarki). W odniesieniu do czystej postaci stopy auminium, podobnie jak miedzi, odznaczają się epszymi właściwościami mechanicznymi i technoogicznymi przy nieco gorszych własnościach eektrycznych. Stop auminium z magnezem i krzemem (ALDEY) ma około 2,5-raza wyższą wytrzymałość na rozciąganie od auminium i nadaje się bardzo dobrze na przewody napowietrzne. Stop Auminium z krzemem (SILUMIN) jest wykorzystywany do odewania niektórych eementów aparatów eektrycznych. Do wykonywania wyrobów z auminium stosuje się auminium hutnicze. Technoogia produkcji tych wyrobów jest podobna do technoogii wyrobów miedzianych, z tym że stosuje się tu prawie wyłącznie obróbkę pastyczną na zimno, ponieważ auminium jest znacznie bardziej ciągiwe i daje się wacować na foie aż do grubości 5µm. Można tu też zastosować technoogię odewania, jednakże wówczas naeży iczyć się z pogorszeniem własności eektrycznych. Podstawowym przedmiotem zastosowania auminium są przewody inii napowietrznych, gdzie w zaeżności od wymaganej wytrzymałości mechanicznej używa się inek z adreyu, ub inek auminiowo-staowych, gdzie inka staowa stanowi rdzeń, opeciony drutami z auminium. Powszechnie z auminium wyrabia się żyły kabi ziemnych, połączenia szynowe w rozdzieniach, a w postaci foii, okładziny kondensatorów, a także uzwojenia katkowe siników asynchronicznych. Zaniechano stosowania auminium na przewody instaacji domowych ze wzgędu na ich dużą awaryjność.

5 STAL: Jak widać z tabicy 1, najgorszą konduktywność z wymienionych metai posiada sta. Jednakże sta może być stosowana w przypadku przepływu bardzo małych prądów długotrwałych ub dużych prądów krótkotrwałych. W każdym przypadku sta wymaga ochrony antykorozyjnej poprzez nałożenie odpowiednich powłok. Sta stosowana w eektrotechnice na części przewodzące jest zwykła staą hutniczą, zabezpieczoną przed korozją poprzez ocynkowanie na gorąco. Sta znajduje zastosowanie na przewody odgromowe, uziomy, rdzenie przewodów staowo-auminiowych, noże uziemników, przewody jezdne staowo-auminiowe. 4. Program badań Ceem ćwiczenia jest wyznaczenie konduktywności materiałów przewodowych Konduktywnością γ nazywamy wiekość służącą do oceny własności przewodników. Jest to przewodność odcinka przewodnika o przekroju jednostkowym s i długości jednostkowej. γ = [ S s m ] [S] = 1 Ω Siemens Z pojęcia konduktywności korzysta się przy charakteryzowaniu materiałów przewodowych, do okreśenia własności materiałów oporowych i eektroizoacyjnych wygodniej jest używać pojęcia rezystywności ρ. 1 ρ = [Ωm] γ Drugim parametrem charakteryzującym dieektryki, materiały oporowe i przewodniki jest temperaturowy współczynnik rezystancji α. Jest to wzgędna zmiana rezystancji przy zmianie temperatury ο 1º. 5. Opis badań 5.1. Wyznaczenie konduktywności materiałów przewodowych Da wyznaczenia konduktywności próbkę żyły przewodu naeży zamocować w uchwycie zaopatrzonym w zaciski napięciowe i prądowe. Za pomocą mostka Thomsona mierzy się czteroprzewodowo opór metrowego odcinka żyły pomiędzy zaciskami napięciowymi. Wyznaczanymi wiekościami są: średnica znamionowa żyły d [m], długość odcinka pomiarowego (pomiędzy zaciskami napięciowymi) [m], masa odcinka w powietrzu m [kg], gęstość materiału z którego wykonana jest żyła ρ pr [kg/m 3 ], opór eektryczny odcinka pomiarowego zmierzony w temperaturze t t [Ω].

6 Wiekościami obiczanymi są: przekrój poprzeczny próbki s [m 2 ] m s = ρ pr opór eektryczny odcinka w temperaturze 20ºC 20 [Ω] 20 t = 1 + α( t 20) α temperaturowy współczynnik rezystancji [1/ C] konduktywność γ [S/m] γ = s Aparatura Do wykonania pomiarów potrzebne są następujące przyrządy: uchwyt pomiarowy do zamocowania próbki mostek techniczny Thomsona waga aboratoryjna termometr Pomiar oporu odcinka żyły wykonuje się przy użyciu technicznego mostka Thomsona wyposażonego w gawanometr G. Schemat mostka Thomsona, k, rezystancja przewodów łączeniowych

7 W stanie równowagi mostka: czyi t + k + = k t + = Jeżei w równaniu tym wyeiminuje się wyrazy równowagi mostka, za pomocą nastawnych oporników 3 i 4 oraz 3 ' i 4 ' to wtedy: 3 t =, 2 4 k 3 i 4 poprzez doprowadzenie do a rezystancja przewodów łączeniowych przestaje wpływać na wyniki pomiarów. W dokładniejszych mostkach aboratoryjnych opornik 2 jest zwyke stałym opornikiem wzorcowym, a nastawia się wartości rezystancji oporników 3, 3 ', 4 i 4 '. Natomiast w przypadku użycia technicznego mostka Thomsona uzyskujemy sprawniejszy pomiar przez płynna zmianę 2 przy odpowiednio dobranym stosunku 3 do 4 oraz 3 ' i 4 '. 5.3 Przygotowanie próbek Pomiar wykonuje się na wyprostowanej próbce żyły przewodu (bez izoacji) o długości co najmniej 1,2 m. Próbkę naeży wyprostować nie zginając jej, gdyż wieokrotne zginanie prowadzi do utwardzania próbki, oraz uważając aby nie zmienić jej przekroju. Powierzchnia próbki powinna być gładka i nie może posiadać widocznych gołym okiem uszkodzeń. 5.4 Opis pomiaru Przed przystąpieniem do pomiaru oporności naeży wyznaczyć przekrój próbki znając jej masę (po zważeniu) i gęstość (z tabei). Następnie ekko rozciągniętą próbkę naeży zamocować w zaciskach prądowych ławy pomiarowej i deikatnie opuścić zaciski napięciowe. Długość odcinka pomiarowego pomiędzy zaciskami napięciowymi wynosi 1m. Zaciski prądowe i napięciowe łączymy z zaciskami mostka, zgodnie z oznaczeniami na mierniku. Ustawiamy na mostku zakres pomiarowy, a pokrętło reguatora na środek tej skai. Naciskamy przycisk Z i równoważymy mostek do momentu, kiedy wskazówka ustai się w położeniu zerowym. Jeżei na danym zakresie zrównoważenie mostka jest niemożiwe naeży zmienić zakres przy pomocy przełącznika i powtórzyć procedurę równoważenia. Pomiaru temperatury dokonujemy termometrem cyfrowym w pobiżu badanej próbki z dokładnością ±0,1ºC. 5.5 Opracowanie wyników Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów naeży obiczyć konduktywność każdego z materiałów. Gdy pomiar odbywa się w temperaturze różnej od 20ºC naeży przeiczyć t na 20. W sprawozdaniu zaeży załączyć jedno przykładowe obiczenie. Wartości zmierzone oraz obiczone naeży umieścić w tabei. Wyniki omówić i podać wnioski.

8 Tabea pomiarowa odzaj materiału d m t t s 20 γ [m] [m] [kg] [Ω] [ºC] [m 2 ] [Ω] [ MS m ] Miedź Miedź Miedź Auminium Sta Mosiądz