birmaga.ru
добавить свой файл

1
Лекция 15.


ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электропроводность материалов объясняет зонная теория.
Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.
У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.

Такие материалы называются диэлектриками, в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.

Основные электрические характеристики диэлектрика:

1) удельное электрическое сопротивление ρv и ρs;

2) диэлектрическая проницаемость Е
, относительная – Еr = E/E0;

3) тангенс угла диэлектрических потерь - tg
δ;

4) электрическая прочность Е
пр = Uпр : h, В/м.
1. Сопротивление диэлектрика
Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.
Если для проводников удельное сопротивление более 10-9 Ом.м, то для диэлектриков оно более 1010 ÷ 1019 Ом.м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный Iv, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный Is, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρv и поверхностное удельное сопротивление ρs. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρv] – Ом.м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρs] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρv и ρs необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки Iv и Is, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρv и ρs. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).


2. Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость εr показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

εa = εr . εо,

где εr – безразмерная величина, а εо – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8,85.10-12 или 8,86.10-12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.
Поляризацией называется смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи, то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.

Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения. Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.

Различают следующие виды поляризации:
1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);
2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)←Na+ Cl-→(+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.
Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).
Другие виды поляризации называются неупругими, так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).
3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.
5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.

От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.
3. Тангенс угла диэлектрических потерь
Если на обкладки конденсатора, находящегося в вакууме, подать напряжение U, то на обкладках накопится заряд Qо = Cо.U и между обкладками образуется электрическое поле, напряжённость которого будет E = U/h, В/м .
Если между обкладками поместить диэлектрики, то в диэлектрике возникнут:
1) ток утечки, образующийся свободными зарядами (электронами и ионами примесей и самого диэлектрика), которые движутся к противоположно заряженным электродам под действием кулоновских сил (их величину можно рассчитать по закону Кулона). По пути к электродам носители свободных зарядов сталкиваются с атомами диэлектрика и передают им часть своей энергии, которую сами они получают от внешнего поля – то есть происходит потеря энергии (она превращается в тепловую). Этот ток мал и быстро уменьшается (за 10-15÷16 с), называется ток утечки или активный ток.

2) ток смещения, образующийся смещением электрических зарядов, носителями которых могут быть связанные электроны, ионы, диполи, домены и т. д., – в самом диэлектрике возникают электрические заряды, которые создают электрическое поле обратного направления, это внутреннее поле ослабляет внешнее электрическое поле, уменьшает его напряженность. Однако U = const, поэтому для компенсации внутреннего электрического поля на обкладки конденсатора «натекает» дополнительный заряд, суммарный заряд Q становится больше заряда в вакууме Qо. Относительная диэлектрическая проницаемость εr = Q/Qо, а так как Q = C.U, то εr = C/Cо - то есть показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше Со в вакууме (ε = εr . εо,Ф/м).

Ток смещения образуется перемещением электрических зарядов в пространстве, но «центр тяжести» зарядов остаётся на месте! Смещение электрических зарядов во внешнем электрическом поле называется поляризацией. В зависимости от вида диэлектрика (от его физической природы, химического состава) в нём имеются разные поляризации – упругие и неупругие – поэтому токи смещения в разных диэлектриках будут разными по природе и величине. Если U = const, то оба тока пропадают по окончании установления электрического поля в конденсаторе. Если U = var, то оба тока наблюдаются всё время приложения напряжения: Ic = ω.C.U, где ω = 2πf.
Построим векторную диаграмму токов в диэлектрике.




δ

α

I

Iдоб a

I'a

U

Ia





φ

Iдоб

I'c

Iдоб c

Ia

Ic




Суммарный ток является векторной суммой двух составляющих.

I. Ёмкостная составляющая сама состоит из двух составляющих:
1). I’c - ёмкостный ток смещения а) электронов и ионов в атомах диэлектрика + б) ионов, если диэлектрик состоит из ионных кристаллов, то есть это упругие поляризации 1 и 2, которые происходят без потерь энергии, это чисто реактивный ток, опережающий вектор напряжения на 90о.

2). Iдоб с - добавочный ёмкостный ток смещения, образуемый неупругими поляризациями 3, 4, 5, 6 – вернее, их комбинацией в зависимости от природы диэлектрика. Они также не дают потерь энергии и также опережают вектор напряжения на 90о.
II. Активная составляющая состоит из:

1). I’а – ток утечки, это вектор, совпадающий с вектором напряжения, он создаёт потери энергии, идущие на нагрев диэлектрика. Укажем его потом.

2). Iдоб a – добавочный активный ток, характеризующий потери энергии при совершении неупругих поляризаций (связанных с поворотом диполей, доменов, перебросом ионов и др.). Токи Iдоб с и Iдоб a в сумме дают добавочный ток Iдоб.
Ток, протекающий по проводнику, вызывает потери мощности P = U Ia.

Активный ток Iа находится из следующего условия: tan δ = Ia / Ic,


откуда: Ia = Ic . tan δ.

Емкостный ток Iс, находится по формуле: Ic = ω.C.U,

где ω = 2πf, С = С΄ + Сдоб.

Тогда потери мощности P = U Ia = ω.C.U 2 tan δ .

Здесь [ Р ] = Вт, [ω] = рад/с, [C ] = Ф, [U ] = В.
С – суммарная ёмкость конденсатора, связанная с токами Ic и Iдоб c, то есть соответствующая поляризациям.
Тангенс угла диэлектрических потерь tan δ – важный электрический параметр диэлектрика, определяющий диэлектрические потери в данном диэлектрике. Имеется стандартизированная методика измерения тангенса угла диэлектрических потерь и ёмкости диэлектрика с помощью 4-х плечевого высоковольтного моста. Ясно, что чем меньше tg δ, тем меньше диэлектрические потери, тем лучше диэлектрик. У современных диэлектриков tg δ = 0,05 ÷ 0,0001.
Величина tg δ диэлектриков не постоянна, она зависит от разных параметров:


  • для газообразных – от напряжения (tg δ = 10-7 при малых напряжениях)

  • для жидких – от рода диэлектрика (полярный или неполярный), от температуры, от частоты

  • для твёрдых – также от полярности, температуры и частоты, но вид зависимости другой.


4. Электрическая прочность

Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях. При напряжении выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика – то есть полная потеря им изоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию электродов. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр. Напряжённость электрического поля, при которой произошёл пробой, называется электрической прочностью Епр = Uпр / h, В/м, где h – расстояние между плоскими электродами (эта формула справедлива для равномерного поля). То есть электрическая прочность диэлектрика Епр – это напряжённость электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.

На твёрдых образцах вместо пробоя – КЗ через толщу диэлектрика – может наблюдаться явление поверхностного разряда или перекрытия, когда КЗ происходит за счёт пробоя окружающей среды – воздуха, трансформаторного масла – по поверхности диэлектрика. Напряжение перекрытия является параметром данной электроизоляционной конструкции, но зависит также от материала диэлектрика.
Виды пробоя
1) Электрический пробой – вызывается ударной ионизацией электронами, когда под действием большой напряженности электрического поля из небольшого числа начальных электронов в диэлектрике образуется сильная электронная лавина.

2) Тепловой пробой – если в результате диэлектрических потерь тепла в диэлектрике выделяется больше, чем отводится в результате его охлаждения, то диэлектрик нагревается и в месте наименьшего теплоотвода диэлектрик проплавляется, прожигается, то есть происходит КЗ – пробой.

3) Электрохимический пробой – по каким-либо причинам химический состав и структура диэлектриков медленно меняются так, что пробой может наступить при напряжении меньшем Uпр начального диэлектрика.
Смешанные виды пробоя
4) Ионизационный пробой – в твёрдых диэлектриках, в которых есть поры (бумаги, картоны) до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация газов (воздуха) в порах. Образующиеся лавины вызывают эрозию стенок пор, химическую реакцию с озоном, нагрев диэлектрика вокруг пор, расширение диэлектрика в результате нагрева – образуются трещины, через них легко в диэлектрик проникает вода, которая уменьшает сопротивление диелектрика и т.д. Изоляционные свойства газообразных и жидких диэлектриков после пробоя восстанавливаются (хотя у жидких диэлектриков после каждого пробоя свойства понемногу ухудшаются), а у твёрдых – нет, остаются следы (также и при поверхностном пробое).
Лекция 16.
МЕХАНИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электротехническая аппаратура работает в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для её изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические параметры. Правильный выбор изоляции обеспечивает надёжность и долговечность электроустановки.

Механические характеристики
Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибропрочность. Простейшие виды статистических механических нагрузок – растягивающие, сжимающие, изгибающие – изучаются на основании элементарных закономерностей (курс сопромата).

σраст = N/A, σсжат = N/A, σизгиба = M/W,

где: N – продольная сила растяжения/сжатия, А – площадь поперечного сечения, М – изгтбающий момент, W – момент сопротивления сечения изгибу, равный bh2/6 (сечение испытуемого образца имеет вид прямоугольника) или 0,1 d3 (круглое сечение). Значения пределов прочности в системе СИ выражаются в Па = Н/м2 (в технической системе единиц – кг/см2).
Ударная вязкость – важный параметр для многих диэлектриков, в частности для пластмасс, слоистых материалов. Ударную вязкость материала (аn) находят делением затраченной на излом образца энергии на площадь поперечного сечения образца, измеряется в Дж/м2. Установка для определения ударной вязкости – маятниковый копёр, образец – двух видов: с надрезом (концентратором напряжений) и без надреза.
Для многих электроизоляционных материалов важно знать их вибростойкость – то есть способность выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций определённой частоты и амплитуды. Используются вибростенды, на которых закрепляются испытываемые образцы разной формы и массы. Оценивают вибростойкость по разным критериям, в частности вибростойкость изоляции обмоток электромашин – по снижению пробивного напряжения Uпр.
Твёрдость лаковых плёнок, слюды измеряют по скорости затухания колебаний маятника, опирающегося на испытуемый образец. Чем больше твёрдость, тем медленнее затухание.


Гибкость (эластичность) лаковых плёнок определяют следующим способом: фольгу с плёнкой лака изгибают вокруг стержней с диаметрами, равными 1, 3, 5, 10, 15, 20 мм. Показатель гибкости – наименьший диаметр, при сгибании вокруг которого плёнка не даёт трещин (пленку рассматривают в пятикратную лупу).

У листовых и рулонных материалов (бумага, плёнки) кроме прочности на разрыв и пластичности определяют следующие характеристики:
- прочность на излом - полоска материала многократно изгибается в противоположные стороны при определённом натяжении – определяют число двойных перегибов полоски до ее разрыва;

- раздирание – находят усилие маятника, опускающегося с определённой высоты, под действием которого полоска рвется;

- продавливание – исследуют усилие разрыва диафрагмы из испытуемого материала;

- надрыв – определяют усилие, при котором рвётся натянутая бумага;

- истираемость – определяют количество ходов иглы с диаметром 0,6 мм по поверхности изолированного провода, когда изоляция протрется, зажигается лампочка.
Тепловые характеристики
К основным тепловым характеристикам относятся:

- температура вспышки паров жидкого диэлектрика – это температура, при которой смесь паров с воздухом вспыхивает в закрытом теле от действия газового пламени длиной 3 ÷ 4 мм, создаваемого маленькой горелкой (ПВНО – прибор вспышки – нагрев огневой) или искры (ПВНЭ – прибор вспышки – нагрев электрический);

- температура плавления – определяют для кристаллических материалов;

- температура размягчения – определяют для аморфных материалов (смолы, битумы), это температура, при которой вязкость материала становится малой. При увеличении температуры материал теряет прочность и деформируется.


- температурные коэффициенты линейного (ТКЛР) и объёмного (ТКОР) расширения – важны для стекол, керамики. Лучше, если ТКЛР мал, тогда материал обладает большой нагревостойкостью;

- нагревостойкостью называется способность электроизоляционных материалов без вреда для них выдерживать как кратковременно, так и длительно воздействие высокой температуры, а также резкие изменения температуры. При воздействии высоких температур происходит тепловое старение материала – то есть необратимое ухудшение свойств материала (при кратковременном воздействии – обратимое). Процессы теплового старения определяют допустимую для материала рабочую температуру, связанную с заданным сроком службы. Нагревостойкость важна для органических материалов. С повышением температуры срок службы понижается (срок службы машины – 15-20 лет; повышение рабочей температуры на 10 оС снижает срок службы в 2 раза).

Критерием нагревостойкости является температура, значение которой определяется по допустимому снижению важнейших параметров. По величине длительно допустимой рабочей температуры электроизоляционный материалы делятся на 7 классов нагревостойкости.


Класс

Температура, характе­ризующая класс, К (оС)

Материалы, соответствующие данному классу

Y

363 (90)

Волокнистые материалы из хлопка, шелка, полиамидов, пластмассы на пропитанные связующим составом, поливинилхлорид, натуральный каучук

A

378 (105)

Волокнистые материалы, пропитанные лаками, поливинилацеталевые лаки, полиамидные смолы

E

393 (120)

Синтетические волокна, пленки, смолы, слоистые пластики, поликарбонатные пленки, эпоксидные лаки

B

403 (130)

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с органическими связующими, политрифторхлорэтилен

F

428 (155)

Те же материалы с синтетическими связующими, поли­эфирамидные лаки

Y

453 (180)

Те же материалы с кремнийорганическими связующими, кремнийорганические эластомеры, асботкани, пряжа

C

Более 453 (180)


Слюда, стекло, керамика, кварц, асбоцемент, электротех­нический шифер, политетрафторэтилен (тефлон), микалекс, полиамиды


- теплостойкость – способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, определяют ее по прибору и методике Мартенса (при постоянной скорости нагрева определяют температуру, при которой указатель прогиба покажет 6 мм – стандартное значение);

- морозостойкость, холодостойкость – способность материала противостоять действию низких температур – оценивается разными способами (по появлению трещин, потери эластичности и др.).

- теплопроводность изоляции электрических машин – чем она больше, тем меньше греются обмотки, измеряется в Вт/(м. оС);

- теплоёмкость изоляции С, измеряется в Дж/(кг. оС).
Физико-химические характеристики диэлектриков
К ним относятся:

- вязкость жидких диэлектриков – важный параметр. Вязкость – это способность жидкости сопротивляться сдвигу, это свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касательных напряжений (напряжений трения). Различают динамическую вязкость жидкости η и (шире применяющуюся) кинематическую вязкость μ. Динамическая вязкость измеряется в пуазах , равных Па.с. Единицей измерения кинематической вязкости в системе СИ является м2/с или более мелкая единица см2/с, которую принято называть стоксом, 1Ст = 1 см2/с. Для измерения вязкости также используются сантистоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость измеряется вискозиметрами разных типов для измерения разных по величине вязкостей, различаются они размерами объемов жидкостей, диаметрами отверстий, длинами сопел, а также по принципу действия: либо по скорости падения в данной жидкости шарика определённой массы и диаметра, либо по времени истечения определённого объёма испытуемой жидкости из сосуда через калиброванное отверстие;


- кислотное число характеризует содержание в материале свободных органических кислот, которые вызывают коррозию металлов (например, в нефтяных, трансформаторных маслах). Кислотное число определяется количеством мг едкого калия (КОН), требующегося для нейтрализации всех кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала.

- рН - водородный показатель – используется для целлюлозных материалов, характеризует концентрацию ионов H+ в водной вытяжке: если рН < 7 – кислотная среда; при рН > 7 –среда щелочная;

- химостойкость – материалы при работе в химически активных средах на должны разрушаться, то есть должны обладать химостойкостью, которая определяется по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров.
Ряд параметров для диэлектриков, работающих в условиях повышенной влажности:

- влагопоглащаемость – увеличение массы материала за определённое время увлажнения (то есть за счёт влаги окружающей среды);

- влагостойкость – изменение (а именно - ухудшение) электрических параметров при увлажнении;

- водостойкость – стойкость материала к прямому воздействию воды (пребыванию в воде);

- тропикостойкость – стойкость к воздействию влажного тропического климата (воздействие температуры и влажности);

- плесенестойкость – определяется при температуре 40 ÷ 50 оC и относительной влажности ≈ 100 % плюс культуры определённых плесневых грибков;

- атмосферостойкость – совокупное или попеременное действие ряда атмосферных факторов (дождь, солнечная радиация, влага воздуха);

- смачиваемость водой – используется для твёрдых диэлектриков – чем больше угол смачивания, тем меньше поверхностное удельное сопротивление.

- радиационная стойкость – способность выдерживать воздействие радиационных излучений без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств диэлектрика.
Все параметры определяются по соответствующим специально разработанным методикам – для того, чтобы было можно объективно сравнивать разные диэлектрики.