电器理论基础试验参考指导书.doc

电器理论基本
实 验 指 导 书

王宣东 贾申利

西安交通大学电器教研室
3月

目 录
实验一 导体发热实验 1
一、实验目 1
二、实验设备 1
三、实验内容 5
四、实验注意事项 6
五、实验报告规定 6
实验二 直流电弧特性实验 7
一、实验目 7
二、实验设备 7
三、实验线路 8
四、实验内容 8
五、实验报告规定 9
实验三 交流电弧特性实验 10
一、实验目 10
二、实验设备 10
三、实验线路 10
四、实验内容 12
五、实验报告规定 12
实验四 电弧演示实验 13
一、水中碳电弧放电实验 13
二、电弧在磁场作用下运动 15

实验二 直流电弧特性实验
一、实验目
1、 观测不同条件下电弧外形；
2、 求取直流电弧伏安特性。
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
电弧实验装置
自制
1
2
碳棒
Φ8mm
2
3
铜棒
Φ8mm
2
4
直流电流表
551型 0～15A（30A）
1
5
直流电压表
T10-V 0～150V
1
6
滑线式变阻器
BX8-11 4.5A 45Ω
1
9
变阻器
ZX2-21 10.1A 21Ω
2
本实验所用电弧实验装置实物如图2-1所示：

图2-1 电弧实验装置
三、实验线路
实验线路如图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。通过电弧电流从直流电流表A读取，电弧两端电压降从直流电压表V读取。调节可变电阻R，便可变化电弧电流，从而求得电弧电压和电弧电流关系（即所谓直流电弧伏安特性）。
其中：
Rf为滑线式变阻器，额定电流为4.5A，电阻为0～45Ω；
R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子R1～R7），每两个端子间电阻值为3.5Ω。

图2-2 直流电弧实验线路
四、实验内容
1、 观测不同材料作为电极时电弧燃烧状况；
在观测电弧燃烧状况时，滑线式变阻器阻值应当始终在最小位置，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如下直流电弧伏安特性（碳电极，实验时电流由10A逐渐减小）；
① 电流在5～10A时，滑线式变阻器阻值应当始终保持在最小位置，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。
② 将可变电阻器接在R1、R7上不动，迅速调节滑线式变阻器，使回路电流值不大于5A后再开始实验记录。
3、 求取当碳电极接触时电流约为6A和9A两种状况下直流电弧临界长度；
滑线式变阻器阻值应当始终保持在最小位置，可变电阻器应分别在R1、R5（电流约为9A），R1、R7（约6A）上接线。
4、 观测测量电弧伏安特性精准办法。
五、实验报告规定
1、 描述不同材料电极时，直流电弧阳极斑点、阴极斑点和弧柱外形及其运动状况；
2、 做出弧长约为2mm和0.5mm时直流伏安特性，并阐明由此得出什么结论；
3、 阐明6A和9A两种状况下直流电弧临界长度不同因素。

实验三 交流电弧特性实验
一、实验目
1、 观测不同条件下电弧外形；
2、 求取交流电弧伏安特性。
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
电弧实验装置
自制
1
2
碳棒
Φ8mm
2
3
铜棒
Φ8mm
2
4
交流电流表
T15-A 0~15A
1
5
有铁心电抗器
3.4Ω 10.4mH
1
6
变阻器
ZX2-21 10.1A 21Ω
1
7
示波器
TDS
1
SR-071B
1
8
滑线式变阻器
BX8-11 4.5A 45Ω
1
BX7-16 20A 2Ω
1
三、实验线路
1、电阻性负载：
实验线路如图3－1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，电弧各种特性用示波器进行观测。示波器通道1（CH1）上显示是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示是电弧电流波形。
2、 感性负载：
实验线路如图3－2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，电弧各种特性用示波器进行观测。示波器通道1（CH1）上显示是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示是电弧电流波形。
3、 交流电弧伏安特性：
将数字示波器换TDS为模仿示波器，接线办法不变，选取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关系。
图3-1交流电弧实验线路——电阻负载
图3-2交流电弧实验线路——电感负载
其中：
Rf为滑线式变阻器，额定电流为20A，电阻为0～2Ω；
R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子（R1～R7），做交流电弧实验时接线在R1、R7两个端子间，电阻值为21Ω。
四、实验内容
1、 观测电流约为10A时，不同负载性质状况下交流电弧电压、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精准办法。
五、实验报告规定
绘出不同负载性质状况下，交流电弧电压、电流波形和伏安特性，并指出它们有何不同。

实验四 电弧演示实验
一、水中碳电弧放电实验
1、实验装置：
采用一台ZX7-120型号非晶态逆变式直流电焊机作为产生电弧电流源，电焊机输入电压为220V工频交流电压，可以输出20～150A持续可调直流电流。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孔和螺纹。装置阴极固定在支架上，阳极通过旋转调节手柄方式可以沿着一种平滑轨道进行水平方向移动。烧杯中盛放蒸馏水作为碳电弧放电介质。水中碳电弧放电装置实物如图4－1所示：

图4-1 水中碳电弧放电装置
2、实验原理：
在水中碳电弧燃烧过程中，阳极石墨棒中一某些碳元素在电弧高温下与水发生反映：C+ H2O= CO+ H2，生成CO和H2气体为放电电弧提供了一种类似于惰性气体保护环境。如图4－2所示，从阳极石墨棒蒸发出来碳粒子一某些沿着弧柱区运动至阴极，由于阴极表面温度相对较低，这些碳粒子在阴极表面定向沉积，沿着电弧方向生长出多壁碳纳米管如图4－3所示。多壁碳纳米管在阴极生长过程遵循 “开口生长”机制，即纳米管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长到开口端，其中六元环不断供应导致纳米管生长，而五元环引入则使纳米管封闭起来，停止生长。而逸出弧柱区碳粒子，则在由弧柱区向气泡壁运动过程中，由于温度不断地减少，碳粒子逐渐形成碳链、并进一步形成六圆环为基本单元类石墨片断，在气泡壁附近，由于气泡壁冷壁效应，会存在很高温度梯度，并且气泡壁温度也很低（水沸点，100℃），这些片断会趋于弯曲形核并生长，由于该区域内碳粒子各向同性，最后形成球状碳纳米洋葱，如图4－4所示。此外，在放电过程中由于阳极烧蚀比较剧烈，会导致某些石墨颗粒或片断从阳极脱落，从而形成烧杯底部沉淀物。

图4-2 水中碳电弧放电物理模型示意图

图4-3 阴极沉积物中多壁碳纳米管 图4-4 水面漂浮物中碳纳米洋葱
3、实验过程及现象：
在蒸馏水中进行碳电弧放电实验，电极采用纯度为99.99%光谱纯石墨棒，阴极采用直径和长度均为20mm石墨棒，阳极采用直径为6mm，长度为100mm石墨棒。一方面将阴极、阳极石墨棒分别固定在相应不锈钢电极柱上，在5000ml烧杯里注入约4000ml去离子水，通过调节烧杯支架高度，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导致短路，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。随着阳极石墨棒不断烧蚀，持续调节旋转手柄，使两电极之间弧隙距离保持恒定，使得电弧可以持续稳定燃烧。
水中电弧放电时产生了一团炽热高亮等离子体，并且电弧放电产气愤泡不断上升，气泡中具有碳与水反映生成气体产物。在放电过程中，阳极石墨棒在直流电流作用下逐渐烧蚀，因此需要通过旋转手柄给进阳极来保证电弧燃烧稳定性。在燃弧过程中，蒸发碳元素一某些沉积在阴极表面，另某些漂浮在液面上或沉淀至烧杯底部，尚有一某些与水反映生成气体。当阳极碳棒损耗将近结束时，切断电源，移开烧杯，收集产物。
实验进行完毕后，可以观测到液体中电弧放电固体产物重要有三某些： 1、阴极表面柱状沉积物，其直径与阳极直径相近，长度为数毫米；2、水面上呈薄膜状漂浮物；3、烧杯底部沉淀物。

水中碳电弧放电燃弧过程 阴极沉积物 水面漂浮物
二、电弧在磁场作用下运动
1、交变磁场：
1）实验重要装置：
电弧实验装置（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，将变频器频率调节在5Hz，将变频器频率调节在5Hz，它输出正弦脉宽调制波驱动线圈产生一种低频（5Hz）交变磁场。依照左手定则，在每个周期中，电弧处磁场方向保持水平先后交替状态，电弧则分别受到向上和向下作用力（如图4-5），从而产生明显上下摆动。

图4-5 电弧等离子体在交变磁场中受力和运动方向示意图
2、恒定磁场：
1）实验重要装置：
如下图所示：

线圈 带间隙铜电极
2）实验过程及现象：
用细铜丝穿过带间隙铜电极，使两个铜电极通过细铜丝连通，然后将该电极整体放入线圈中，如下图所示：

分别给线圈和带间隙铜电极加直流电，并增大铜电极两端电流；当电流约不不大于5A时，铜电极中间细铜丝熔断，在铜电极间隙中产生电弧，电弧在线圈产生磁场中受力并作运动；如果选取适当磁场方向，电弧将沿着间隙向上运动直到铜电极开口处断开。
三、实验报告规定
1、 描述电弧在磁场中运动状况；
2、 描述水中碳电弧放电现象。