U

niwersytet

T

echnologiczno-

P

rzyrodniczy

w Bydgoszczy

W

ydział

T

elekomunikacji i

E

lektrotechniki

Z

akład

E

lektroenergetyki

Laboratorium Materiałów Elektrotechnicznych

Instrukcja do ćwiczenia

Badanie rezystywności materiałów przewodzących

i izolacyjn

ych

Opracował mgr inż. Sebastian Zakrzewski

Bydgoszcz, 2006 r.

2

1. Wprowadzenie

Powłoki ekranujące są nakładane m.in. na powierzchnie izolacji

przewodów i na tuleje izolacyjne izolatorów przepustowych. Powłoki

ekranujące spełniają różne zadania. Na przykład symetryzują rozkład

potencjału zapobiegając powstawaniu w izolacji miejsc o natężeniu pola

elektrycznego znacznie większego od wartości średniej. Powłoki

ekranujące wykonuje się metodą malowania powierzchni izolacji lakierami

przewodzącymi bądź wcierania w te powierzchnie proszków

przewodzących. Przy produkcji kabli jest często stosowana metoda

natłaczania na powierzchnię izolacji warstwy materiału termoplastycznego

o rezystywności 10

3

-10

6

Ω⋅cm. Tak małą wartość rezystywności uzyskuje

się poprzez dodawanie proszków przewodzących do materiałów

termoplastycznych.

Rozróżnia się pojęcia rezystywności skrośnej

ρ

s

i rezystywności

powierzchniowej

ρ

p

:

-

ρ

s

oznacza rezystancję przewodu o powierzchni przekroju

poprzecznego 1 cm

2

i długości 1 cm [Ω⋅cm],

-

ρ

p

oznacza rezystancję ścieżki o szerokości 1 cm

2

i długości 1 cm

[Ω].

Rezystywność powierzchniowa dobrze charakteryzuje jakość ekranu

wykonanego metodą malowania lub wcierania proszku w powierzchnię

izolacji.

2. Przebieg ćwiczenia

2.1. Układ pomiarowy

Schemat układu pomiarowego do wyznaczania rezystywności

skrośnej materiałów przewodzących i izolacyjnych w postaci elastycznych

3

arkuszy przedstawiono na rys. la, natomiast na rys. 1b przedstawiono

układ pomiarowy do wyznaczania rezystywności

ρ

p

ekranu na

powierzchni żyły kabla elektroenergetycznego,

a)

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania: rezystywności skrośnej (a)

i rezystywności powierzchniowej (b):

E

- zasilacz napięciowy,

R

0

- rezystor ograniczający wartość prądu,

V

- woltomierz,

G

- nanoamperomierz,

1

- badana próbka płaska,

2

- elektroda napięciowa,

3

- elektroda pomiarowa,

4

- elektroda ochronna,

5

- badany odcinek kabla,

6, 7

- elektrody pomiarowe.

4

Badana próbka materiału o grubości d znajduje się na elektrodzie

napięciowej 2 i jest z góry dociśnięta ustawioną na niej cylindryczną

elektrodą pomiarową 3. Koncentrycznie z elektrodą 3 ustawia się na

badanej próbce ochronną elektrodę 4. Jej podstawa ma kształt pierścienia.

Powierzchnie elektrod 2, 3 i 4 stykające się z badaną próbką są

wypolerowane. Gładkość stykających się powierzchni jak również

dostatecznie duży ciężar elektrod 3 i 4 ma zapewnić uzyskanie dużej

powierzchni styku elektrod z badaną próbką elastycznego materiału.

Miernik prądu G wskazuje wartość prądu skrośnego, który przepływa

od elektrody 2 do elektrody 3. Prąd płynący po powierzchni próbki 1 od

elektrody 2 przepływa przez elektrodę 4 i przewód ekranujący

bezpośrednio do ujemnego bieguna zasilacza E.

Prąd skrośny:

d

s

U

U

I

s

g

s

ρ

∆

−

=

(1)

gdzie:

∆U

g

- spadek napięcia na galwanometrze G (zał. ∆U

g

≅0),

S

- pole powierzchni styku elektrody 3 z badaną próbką 1

S

= 18.7 cm

2

,

d

- grubość badanej próbki [cm].

Po odpowiednich podstawieniach i przekształceniu zależności (1)

rezystywność badanego materiału można określić z zależności (2):

d

I

U

s

s

⋅

=

7

.

18

ρ

[Ωcm]

(2)

Natomiast wartość rezystywności powierzchniowej (dla badanej

powierzchni kabla) jest opisana następująco:

L

I

U

p

p

⋅

⋅

⋅

=

φ

π

ρ

[Ω]

(3)

5

gdzie:

φ

- średnica warstwy ekranującej [cm],

L

- długość ekranu zawarta między wewnętrznymi krawędziami elektrod

6 i 7 [cm].

Stanowisko wyposażone jest w dwa komplety elektrod 2, 3 i 4. Drugi

komplet elektrod został umieszczony w skrzynce, w której znajduje się

grzejnik, wentylator i termometr (termopara). Ten zespół pomiarowy

umożliwia wyznaczenie zależności rezystywności próbki od jej

temperatury.

2.2. Przygotowanie układu i pomiary rezystancji skrośnej

Powierzchnie robocze elektrod 2, 3 i 4 odtłuścić przy pomocy tamponu

zwilżonego denaturatem. Komplet elektrod i próbkę materiału badanego

zestawić zgodnie z rys. la. Połączyć układ elektryczny. Gałki zasilacza

oznaczone nastawianie

U

S

i nastawianie

U

A

ustawić w położeniu

minimum. Dźwignie przełączników oznaczone zakres U

S

i zakres U

A

ustawić w położeniu dolnym. Badanie materiałów przewodzących należy

wykonywać napięciem z zakresu 0 < U < 45 V (zaciski zasilacza oznaczone

0-45V), a badanie materiałów izolacyjnych napięciem z zakresu

0 < U < 400 V (zaciski zasilacza oznaczone 0-400 V).

Czynnością wstępną przy badaniu materiału izolacyjnego

jest rozładowanie "kondensatora" utworzonego z elementów 1, 2, 3 i 4. W tym

celu zwiera się przewody doprowadzone do zacisków woltomierza V od

strony badanego układu i włącza się odpowiedni zakres miernika G. Proces

rozładowania można uznać za dokonany jeżeli na zakresie 10 nA uzyska

się w stanie ustalonym wskazanie bliskie zeru. Następnie włącza się

miernik G na zakres 100 mA. Przewody od układu elektrod pomiarowych

przełącza

się

z

powrotem

do

zacisków

woltomierza

V

i

po

6

włączeniu zasilacza podnosi się napięcie do odpowiedniej wartości.

Zwiększając czułość miernika G i korygując wartość napięcia U należy

dążyć do uzyskania wychylenia wskazówki miernika G na około 1/2 - 2/3

skali. Po uzyskaniu stanu ustalonego należy odczytać wartości prądu I,

napięcia U i temperatury T oraz zapisać te wartości w kolumnach 6, 7 i 3

tabeli 1. W kolumnie 2 należy podać nazwę i opis badanej próbki,

w kolumnie 4 oznaczenie, a w kolumnie 5 jej grubość zmierzoną suwmiarką.

Badanie zależności rezystywności od temperatury materiału badanego

wymaga dokonania pomiarów prądów skrośnych przy różnych temperaturach

próbki badanej. Ze względu na ograniczony czas trwania ćwiczenia

laboratoryjnego należy je rozpocząć od pomiaru rezystywności próbki

wykonanego dla temperatury pokojowej. Po odnotowaniu wyników pomiaru

należy włączyć grzejnik oraz układ pomiaru temperatury (przełączniki K2 i

K3). W czasie nagrzewania próbki należy prowadzić pomiary pozostałych

próbek i w miarę możliwości obserwować przyrosty temperatury próbki

nagrzewanej. Pomiary wartości prądu I

s

oraz napięcia U należy powtórzyć po

osiągnięciu przez próbkę temperatury T

2

, której wartość poda prowadzący

ć

wiczenie. Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli 1. Przy wyznaczaniu

temperatury próbki na podstawie wskazań miliwoltomierza przyłączonego do

termopary należy posłużyć się stablicowaną funkcją U

T

= f

(T) umieszczoną w

tabeli 3 załącznika Z1.

2.3. Przygotowanie układu i pomiary rezystancji powierzchniowej

Na próbkę 5 ekranu izolacji żyły kabla nałożyć elektrody 6 i 7. Układ

pomiarowy połączyć zgodnie z rysunkiem lb wykorzystując zaciski 0-45V

zasilacza E. Przy zwartym mierniku G ustawić wartość napięcia U na około 15

V, a następnie przełączając zakres miernika G na coraz mniejsze wielkości

(zaczynając od zakresu 100 mA) i korygując wartość napięcia U należy

7

dążyć do uzyskania wychylenia wskazówki miernika G na około 1/2 - 2/3

skali. Odczytane wartości U, I

p

i L

zanotować w tabeli 2.

Tabela 1.

Lp

opis

próbki

T

oznacz

d

I

s

U

R

ρ

p

s

ρ

Uwagi

-

-

°C

-

cm

V

Ω

Ωcm Ωcm

-

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Tabela 2.

Lp

opis

próbki

T

oznacz

φ

L

I

p

U

R

ρ

p

uwagi

-

-

°C

-

cm

cm

µA

V

Ω

Ω

-

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

2.4. Opracowanie wyników pomiarów

2.4.1. Na podstawie wyników pomiarów zapisanych w tabeli 1 należy:

korzystając z zależności (2) obliczyć rezystancję skrośną każdej badanej

próbki, a następnie uwzględniając rezystywności próbek wyciętych z tych

samych arkuszy wyznaczyć końcowy wynik pomiaru rezystywności -

ś

rednią geometryczną

s

ρ

, której wartość należy podać z dokładnością

jednocyfrową [3]. Wyniki obliczeń wpisać odpowiednio w kolumny 9 i 10

tabeli 1.

8

2.4.2. Porównać przeciętne wartości rezystywności uzyskane dla tych

samych materiałów w temperaturze otoczenia i temperaturze

podwyższonej.

Podać uwagi, wnioski i spostrzeżenia związane z badanym zjawiskiem,

sposobem wykonywania pomiarów itp.

3. Literatura

[1] Celiński Z. - Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 1998 r.

[2] Woynarowski Z., Sulikowski J., Augustyniak W. - Badania

materiałów elektroizolacyjnych. Politechnika Gdańska 1983 r.

[3] PN-7l/E-04405 - Materiały elektroizolacyjne stałe. Pomiary

elektrycznej oporności.

Słowniczek angielsko-polski:

resistivity

- rezystywność

conducting material

- materiał przewodzący

insulating material

- materiał izolacyjny

shielding coating

- powłoki ekranujące

voltage drop

- spadek napięcia

volume resistance

- rezystancja skrośna