電器理論基礎(chǔ)實驗指導書

1、電器理論基礎(chǔ)實 驗 指 導 書王宣東 賈申利西安交通大學電器教研室2012年3月目 錄實驗一 導體的發(fā)熱試驗1一、實驗目的1二、實驗設(shè)備1三、實驗內(nèi)容5四、實驗注意事項6五、實驗報告要求6實驗二 直流電弧特性試驗7一、實驗目的7二、實驗設(shè)備7三、實驗線路8四、實驗內(nèi)容8五、實驗報告要求9實驗三 交流電弧特性試驗10一、實驗目的10二、實驗設(shè)備10三、實驗線路10四、實驗內(nèi)容12五、實驗報告要求12實驗四 電弧的演示試驗13一、水中碳電弧放電實驗13二、電弧在磁場作用下的運動15實驗二 直流電弧特性試驗一、實驗目的1、 觀察不同條件下電弧的外形；2、 求取直流電弧的伏安特性。二、實驗設(shè)備本實驗所

2、需設(shè)備如下表所示：序號名稱型號及規(guī)格數(shù)量1電弧試驗裝置自制12碳棒8mm23銅棒8mm24直流電流表551型 015A（30A）15直流電壓表T10-V 0150V16滑線式變阻器BX8-11 4.5A 4519變阻器ZX2-21 10.1A 212本實驗所用的電弧試驗裝置實物如圖2-1所示：圖2-1 電弧試驗裝置三、實驗線路試驗線路如圖2-2所示。1和2是兩個電極，它們通過可變電阻器R和滑線式變阻器Rf接到直流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧。通過電弧的電流從直流電流表A讀取，電弧兩端的電壓降從直流電壓表V讀取。調(diào)節(jié)可變電阻R，便可改變電弧電流，從而求得電弧電壓和電弧

3、電流的關(guān)系（即所謂直流電弧的伏安特性）。其中：Rf為滑線式變阻器，額定電流為4.5A，電阻為045；R為可變電阻器，額定電流為10.1A，共有7個接線端子（R1R7），每兩個端子間的電阻值為3.5。圖2-2 直流電弧試驗線路四、實驗內(nèi)容1、 觀察不同材料作為電極時電弧的燃燒情況；在觀察電弧的燃燒情況時，滑線式變阻器的阻值應該一直在最小位置，可變電阻器應在R1、R7上接線。2、 求取弧長約為2mm和0.5mm時，電流在10A以下的直流電弧伏安特性（碳電極，試驗時電流由10A逐漸減小）； 電流在510A時，滑線式變阻器的阻值應該一直保持在最小位置，可變電阻器應分別在R1、R5（電流約為9A），R1

4、、R6（約7.5A），R1、R7（約6A）上接線。 將可變電阻器接在R1、R7上不動，迅速調(diào)節(jié)滑線式變阻器，使回路電流值小于5A后再開始試驗記錄。3、 求取當碳電極接觸時電流約為6A和9A兩種情況下的直流電弧臨界長度；滑線式變阻器的阻值應該一直保持在最小位置，可變電阻器應分別在R1、R5（電流約為9A），R1、R7（約6A）上接線。4、 觀察測量電弧伏安特性的精確方法。五、實驗報告要求1、 描述不同材料電極時，直流電弧陽極斑點、陰極斑點和弧柱的外形及其運動情況；2、 做出弧長約為2mm和0.5mm時直流的伏安特性，并說明由此得出什么結(jié)論；3、 說明6A和9A兩種情況下直流電弧臨界長度不同的原因

5、。實驗三 交流電弧特性試驗一、實驗目的1、 觀察不同條件下電弧的外形；2、 求取交流電弧的伏安特性。二、實驗設(shè)備本實驗所需設(shè)備如下表所示序號名稱型號及規(guī)格數(shù)量1電弧試驗裝置自制12碳棒8mm23銅棒8mm24交流電流表T15-A 015A15有鐵心電抗器3.4 10.4mH16變阻器ZX2-21 10.1A 2117示波器TDS20121SR-071B18滑線式變阻器BX8-11 4.5A 451BX7-16 20A 21三、實驗線路1、電阻性負載：試驗線路如圖31所示。1和2是兩個電極，它們通過可變電阻器R、交流電流表A和滑線式變阻器Rf接到交流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間

6、就產(chǎn)生電弧，電弧的各種特性用示波器進行觀察。示波器的通道1（CH1）上顯示的是電弧電壓波形；通道2（CH2）上顯示的是電弧電流波形。2、 感性負載：試驗線路如圖32所示。電極1和2通過電阻Rf、交流電流表A和電感L接到交流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧，電弧的各種特性用示波器進行觀察。示波器的通道1（CH1）上顯示的是電弧電壓波形；通道2（CH2）上顯示的是電弧電流波形。3、 交流電弧的伏安特性：將數(shù)字示波器換TDS2012為模擬示波器，接線方法不變，選擇X-Y模式，為X，為Y，即可在示波器上看到交流電弧電壓和電弧電流的關(guān)系。 圖3-1交流電弧試驗線路電阻負載 圖3-

7、2交流電弧試驗線路電感負載其中：Rf為滑線式變阻器，額定電流為20A，電阻為02；R為可變電阻器，額定電流為10.1A，共有7個接線端子（R1R7），做交流電弧試驗時接線在R1、R7兩個端子間，電阻值為21。四、實驗內(nèi)容1、 觀察電流約為10A時，不同負載性質(zhì)情況下交流電弧的電壓、電流波形和伏安特性，并進行描繪；2、 學習測量交流電弧伏安特性的精確方法。五、實驗報告要求繪出不同負載性質(zhì)情況下，交流電弧的電壓、電流波形和伏安特性，并指出它們有何不同。實驗四 電弧的演示試驗一、水中碳電弧放電實驗1、實驗裝置：采用一臺ZX7-120型號的非晶態(tài)逆變式直流電焊機作為產(chǎn)生電弧的電流源，電焊機的輸入電壓為

8、220V工頻交流電壓，可以輸出20150A連續(xù)可調(diào)的直流電流。裝置采用兩根不銹鋼棒作為電極柱，在其下端分別設(shè)有用來安裝石墨電極的孔和螺紋。裝置的陰極固定在支架上，陽極通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄的方式可以沿著一個平滑軌道進行水平方向的移動。燒杯中盛放蒸餾水作為碳電弧放電的介質(zhì)。水中碳電弧放電裝置實物如圖41所示：圖4-1 水中碳電弧放電裝置2、實驗原理：在水中碳電弧的燃燒過程中，陽極石墨棒中的一部分碳元素在電弧的高溫下與水發(fā)生反應：C+ H2O= CO+ H2，生成的CO和H2氣體為放電電弧提供了一個類似于惰性氣體的保護環(huán)境。如圖42所示，從陽極石墨棒蒸發(fā)出來的碳粒子一部分沿著弧柱區(qū)運動至陰極，由于陰極表

9、面的溫度相對較低，這些碳粒子在陰極表面定向沉積，沿著電弧的方向生長出多壁碳納米管如圖43所示。多壁碳納米管在陰極的生長過程遵循 “開口生長”機制，即納米管的所有生長層在生長過程中都保持開口，碳原子簇沿軸向不斷增加到開口端，其中六元環(huán)的不斷供應導致納米管的生長，而五元環(huán)的引入則使納米管封閉起來，停止生長。而逸出弧柱區(qū)的碳粒子，則在由弧柱區(qū)向氣泡壁運動的過程中，由于溫度不斷地降低，碳粒子逐漸形成碳鏈、并進一步形成六圓環(huán)為基本單元的類石墨片斷，在氣泡壁附近，由于氣泡壁的冷壁效應，會存在很高的溫度梯度，而且氣泡壁的溫度也很低（水的沸點，100），這些片斷會趨于彎曲形核并生長，由于該區(qū)域內(nèi)碳粒子的各向同

10、性，最終形成球狀的碳納米洋蔥，如圖44所示。此外，在放電過程中由于陽極燒蝕比較猛烈，會導致一些石墨顆?；蚱瑪鄰年枠O脫落，從而形成燒杯底部的沉淀物。圖4-2 水中碳電弧放電的物理模型示意圖 圖4-3 陰極沉積物中的多壁碳納米管 圖4-4 水面漂浮物中的碳納米洋蔥3、實驗過程及現(xiàn)象：在蒸餾水中進行碳電弧的放電實驗，電極采用純度為99.99%的光譜純石墨棒，陰極采用直徑和長度均為20mm的石墨棒，陽極采用直徑為6mm，長度為100mm的石墨棒。首先將陰極、陽極石墨棒分別固定在相應的不銹鋼電極柱上，在5000ml的燒杯里注入約4000ml的去離子水，通過調(diào)節(jié)燒杯支架的高度，將電極充分浸入水中。在接通電

11、源之前，將兩個石墨棒電極相接觸造成短路，然后打開電焊機，調(diào)節(jié)其電流至50A，然后通過旋轉(zhuǎn)手柄使陽極緩慢離開陰極約1mm而產(chǎn)生電弧。隨著陽極石墨棒的不斷燒蝕，持續(xù)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手柄，使兩電極之間弧隙的距離保持恒定，使得電弧能夠持續(xù)穩(wěn)定燃燒。水中電弧放電時產(chǎn)生了一團熾熱高亮的等離子體，并且電弧放電產(chǎn)生的氣泡不斷上升，氣泡中含有碳與水反應生成的氣體產(chǎn)物。在放電過程中，陽極石墨棒在直流電流的作用下逐漸燒蝕，所以需要通過旋轉(zhuǎn)手柄給進陽極來保證電弧燃燒的穩(wěn)定性。在燃弧過程中，蒸發(fā)的碳元素一部分沉積在陰極表面，另一些漂浮在液面上或沉淀至燒杯底部，還有一部分與水反應生成氣體。當陽極碳棒的損耗將近結(jié)束時，切斷電源，移

12、開燒杯，收集產(chǎn)物。實驗進行完畢后，可以觀察到液體中電弧放電的固體產(chǎn)物主要有三部分： 1、陰極表面的柱狀沉積物，其直徑與陽極直徑相近，長度為數(shù)毫米；2、水面上的呈薄膜狀的漂浮物；3、燒杯底部的沉淀物。 水中碳電弧放電燃弧過程 陰極沉積物 水面漂浮物二、電弧在磁場作用下的運動1、交變磁場：1）實驗主要裝置：電弧試驗裝置（如實驗2所述），勵磁線圈和變頻器，如下圖所示： 勵磁線圈 變頻器2）實驗過程及現(xiàn)象：將線圈置于銅電弧附近，使線圈軸線水平穿過弧柱中心。采用一臺變頻器驅(qū)動線圈，將變頻器的頻率調(diào)節(jié)在5Hz，將變頻器的頻率調(diào)節(jié)在5Hz，它輸出的正弦脈寬調(diào)制波驅(qū)動線圈產(chǎn)生一個低頻（5Hz）的交變磁場。根據(jù)左手定則，在每個周期中，電弧處的磁場方向保持水平前后的交替狀態(tài)，電弧則分別受到向上和向下的作用力（如圖4-5），從而產(chǎn)生明顯的上下擺動。圖4-5 電弧等離子體在交變磁場中的受力和運動方向示意圖2、恒定磁場：1）實驗主要裝置：如下圖所示： 線圈 帶間隙的銅電極2）實驗過程及現(xiàn)象：用細銅絲穿過帶間隙的