电器理论基础实验指导书2012版

电器理论基础实 验 指 导 书王宣东 贾申利西安交通大学电器教研室2012年3月目 录实验一 导体的发热试验1一、实验目的1二、实验设备1三、实验内容5四、实验注意事项6五、实验报告要求6实验二 直流电弧特性试验7一、实验目的7二、实验设备7三、实验线路8四、实验内容8五、实验报告要求9实验三 交流电弧特性试验10一、实验目的10二、实验设备10三、实验线路10四、实验内容12五、实验报告要求12实验四 电弧的演示试验13一、水中碳电弧放电实验13二、电弧在磁场作用下的运动1512实验二 直流电弧特性试验一、实验目的1、 观察不同条件下电弧的外形；2、 求取直流电弧的伏安特性。二、实验设备本实验所需设备如下表所示：序号名称型号及规格数量1电弧试验装置自制12碳棒8mm23铜棒8mm24直流电流表551型 015A（30A）15直流电压表T10-V 0150V16滑线式变阻器BX8-11 4.5A 4519变阻器ZX2-21 10.1A 212本实验所用的电弧试验装置实物如图2-1所示：图2-1 电弧试验装置三、实验线路试验线路如图2-2所示。1和2是两个电极，它们通过可变电阻器R和滑线式变阻器Rf接到直流电源上。将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧。通过电弧的电流从直流电流表A读取，电弧两端的电压降从直流电压表V读取。调节可变电阻R，便可改变电弧电流，从而求得电弧电压和电弧电流的关系（即所谓直流电弧的伏安特性）。其中：Rf为滑线式变阻器，额定电流为4.5A，电阻为045；R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子（R1R7），每两个端子间的电阻值为3.5。图2-2 直流电弧试验线路四、实验内容1、 观察不同材料作为电极时电弧的燃烧情况；在观察电弧的燃烧情况时，滑线式变阻器的阻值应该一直在最小位置，可变电阻器应在R1、R7上接线。2、 求取弧长约为2mm和0.5mm时，电流在10A以下的直流电弧伏安特性（碳电极，试验时电流由10A逐渐减小）； 电流在510A时，滑线式变阻器的阻值应该一直保持在最小位置，可变电阻器应分别在R1、R5（电流约为9A），R1、R6（约7.5A），R1、R7（约6A）上接线。 将可变电阻器接在R1、R7上不动，迅速调节滑线式变阻器，使回路电流值小于5A后再开始试验记录。3、 求取当碳电极接触时电流约为6A和9A两种情况下的直流电弧临界长度；滑线式变阻器的阻值应该一直保持在最小位置，可变电阻器应分别在R1、R5（电流约为9A），R1、R7（约6A）上接线。4、 观察测量电弧伏安特性的精确方法。五、实验报告要求1、 描述不同材料电极时，直流电弧阳极斑点、阴极斑点和弧柱的外形及其运动情况；2、 做出弧长约为2mm和0.5mm时直流的伏安特性，并说明由此得出什么结论；3、 说明6A和9A两种情况下直流电弧临界长度不同的原因。实验三 交流电弧特性试验一、实验目的1、 观察不同条件下电弧的外形；2、 求取交流电弧的伏安特性。二、实验设备本实验所需设备如下表所示序号名称型号及规格数量1电弧试验装置自制12碳棒8mm23铜棒8mm24交流电流表T15-A 015A15有铁心电抗器3.4 10.4mH16变阻器ZX2-21 10.1A 2117示波器TDS20121SR-071B18滑线式变阻器BX8-11 4.5A 451BX7-16 20A 21三、实验线路1、电阻性负载：试验线路如图31所示。1和2是两个电极，它们通过可变电阻器R、交流电流表A和滑线式变阻器Rf接到交流电源上。将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧，电弧的各种特性用示波器进行观察。示波器的通道1（CH1）上显示的是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示的是电弧电流波形。2、 感性负载：试验线路如图32所示。电极1和2通过电阻Rf、交流电流表A和电感L接到交流电源上。将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧，电弧的各种特性用示波器进行观察。示波器的通道1（CH1）上显示的是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示的是电弧电流波形。3、 交流电弧的伏安特性：将数字示波器换TDS2012为模拟示波器，接线方法不变，选择X-Y模式，为X，为Y，即可在示波器上看到交流电弧电压和电弧电流的关系。 图3-1交流电弧试验线路电阻负载 图3-2交流电弧试验线路电感负载其中：Rf为滑线式变阻器，额定电流为20A，电阻为02；R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子（R1R7），做交流电弧试验时接线在R1、R7两个端子间，电阻值为21。四、实验内容1、 观察电流约为10A时，不同负载性质情况下交流电弧的电压、电流波形和伏安特性，并进行描绘；2、 学习测量交流电弧伏安特性的精确方法。五、实验报告要求绘出不同负载性质情况下，交流电弧的电压、电流波形和伏安特性，并指出它们有何不同。实验四 电弧的演示试验一、水中碳电弧放电实验1、实验装置：采用一台ZX7-120型号的非晶态逆变式直流电焊机作为产生电弧的电流源，电焊机的输入电压为220V工频交流电压，可以输出20150A连续可调的直流电流。装置采用两根不锈钢棒作为电极柱，在其下端分别设有用来安装石墨电极的孔和螺纹。装置的阴极固定在支架上，阳极通过旋转调节手柄的方式可以沿着一个平滑轨道进行水平方向的移动。烧杯中盛放蒸馏水作为碳电弧放电的介质。水中碳电弧放电装置实物如图41所示：图4-1 水中碳电弧放电装置2、实验原理：在水中碳电弧的燃烧过程中，阳极石墨棒中的一部分碳元素在电弧的高温下与水发生反应：C+ H2O= CO+ H2，生成的CO和H2气体为放电电弧提供了一个类似于惰性气体的保护环境。如图42所示，从阳极石墨棒蒸发出来的碳粒子一部分沿着弧柱区运动至阴极，由于阴极表面的温度相对较低，这些碳粒子在阴极表面定向沉积，沿着电弧的方向生长出多壁碳纳米管如图43所示。多壁碳纳米管在阴极的生长过程遵循 “开口生长”机制，即纳米管的所有生长层在生长过程中都保持开口，碳原子簇沿轴向不断增加到开口端，其中六元环的不断供应导致纳米管的生长，而五元环的引入则使纳米管封闭起来，停止生长。而逸出弧柱区的碳粒子，则在由弧柱区向气泡壁运动的过程中，由于温度不断地降低，碳粒子逐渐形成碳链、并进一步形成六圆环为基本单元的类石墨片断，在气泡壁附近，由于气泡壁的冷壁效应，会存在很高的温度梯度，而且气泡壁的温度也很低（水的沸点，100），这些片断会趋于弯曲形核并生长，由于该区域内碳粒子的各向同性，最终形成球状的碳纳米洋葱，如图44所示。此外，在放电过程中由于阳极烧蚀比较猛烈，会导致一些石墨颗粒或片断从阳极脱落，从而形成烧杯底部的沉淀物。图4-2 水中碳电弧放电的物理模型示意图 图4-3 阴极沉积物中的多壁碳纳米管 图4-4 水面漂浮物中的碳纳米洋葱3、实验过程及现象：在蒸馏水中进行碳电弧的放电实验，电极采用纯度为99.99%的光谱纯石墨棒，阴极采用直径和长度均为20mm的石墨棒，阳极采用直径为6mm，长度为100mm的石墨棒。首先将阴极、阳极石墨棒分别固定在相应的不锈钢电极柱上，在5000ml的烧杯里注入约4000ml的去离子水，通过调节烧杯支架的高度，将电极充分浸入水中。在接通电源之前，将两个石墨棒电极相接触造成短路，然后打开电焊机，调节其电流至50A，然后通过旋转手柄使阳极缓慢离开阴极约1mm而产生电弧。随着阳极石墨棒的不断烧蚀，持续调节旋转手柄，使两电极之间弧隙的距离保持恒定，使得电弧能够持续稳定燃烧。水中电弧放电时产生了一团炽热高亮的等离子体，并且电弧放电产生的气泡不断上升，气泡中含有碳与水反应生成的气体产物。在放电过程中，阳极石墨棒在直流电流的作用下逐渐烧蚀，所以需要通过旋转手柄给进阳极来保证电弧燃烧的稳定性。在燃弧过程中，蒸发的碳元素一部分沉积在阴极表面，另一些漂浮在液面上或沉淀至烧杯底部，还有一部分与水反应生成气体。当阳极碳棒的损耗将近结束时，切断电源，移开烧杯，收集产物。实验进行完毕后，可以观察到液体中电弧放电的固体产物主要有三部分： 1、阴极表面的柱状沉积物，其直径与阳极直径相近，长度为数毫米；2、水面上的呈薄膜状的漂浮物；3、烧杯底部的沉淀物。 水中碳电弧放电燃弧过程 阴极沉积物 水面漂浮物二、电弧在磁场作用下的运动1、交变磁场：1）实验主要装置：电弧试验装置（如实验2所述），励磁线圈和变频器，如下图所示： 励磁线圈 变频器2）实验过程及现象：将线圈置于铜电弧附近，使线圈轴线水平穿过弧柱中心。采用一台变频器驱动线圈，将变频器的频率调节在5Hz，将变频器的频率调节在5Hz，它输出的正弦脉宽调制波驱动线圈产生一个低频（5Hz）的交变磁场。根据左手定则，在每个周期中，电弧处的磁场方向保持水平前后的交替状态，电弧则分别受到向上和向下的作用力（如图4-5），从而产生明显的上下摆动。图4-5 电弧等离子体在交变磁场中的受力和运动方向示意图2、恒定磁场：1）实验主要装置：如下图所示： 线圈 带间隙的铜电极2）实验过程及现象：用细铜丝穿过带间隙的