Электропроводность диэлектриков
Поляризация диэлектриков и диэлектрические потери
Диэлектрическая проницаемость материала и угол потерь
Пробой изоляции и электрическая прочность диэлектрика
Электрический пробой газа в однородном поле
Особенности пробоя газа в неоднородном поле
Изоляционные газы и жидкости
Особенности пробоя твёрдой изоляции
Получение и применение полимеров
Неполярные полимеры
Полярные полимеры
Волокнистые изоляционные материалы
1.2 Поляризация диэлектриков и диэлектрические потери Поляризацией вещества называют смещение связанных зарядов.Поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, однако у сегнетоэлектриков наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, а пьезоэлектрики могут поляризоваться под действием механических напряжений.Различают несколько механизмов поляризации, для их моделей применяют резисторы и конденсаторы как показано на рисунке 1.1, а.Элементы, соответствующие необязательным механизмам поляризации и потерь, показаны пунктиром.
Ёмкость С0 соответствует конденсатору, между обкладками которого вакуум. Резистор Rnp соответствует потерям энергии от токов сквозной проводимости (эти потери не зависят от частоты приложенного напряжения, а с ростом температуры возрастают по экспоненциальному закону).
Электронная поляризация (Сэ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Происходит мгновенно (за время около 10-15с) и без потери энергии.Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией, численно равно квадрату показателя преломления света.
|
|
|
Ионная поляризация (Си) характерна для твёрдых тел с ионным строением и обусловлена упругим смещением связанных ионов на расстояния, меньшие периода решётки.Происходит быстро (за время около 10-13с) и без потери энергии.
Дипольно-релаксационная поляризация (Сдр, rдр) свойственна полярным жидкостям и представляет собой замедленный поворот дипольных молекул в направлении электрического поля, что требует преодоления некоторого противодействия. Поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии и нагревом диэлектрика, это отражено на рисунке 1.1, а в виде последовательно включенного с конденсатором Сдр активного сопротивления rдр. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает вследствие теплового движения..
Время релаксации - это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных диполей уменьшается в е ≈2,7 раза. При нагреве молекулярные силы ослабляются, что должно облегчить дипольно-релаксационную поляризацию. Однако в то же время возрастаетэнергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры характеризуется наличием максимума
|
|
|
В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля, и способность к поляризации уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения.Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям; однако этот вид поляризации может наблюдаться также и в твёрдых полярных органических веществах.
Но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют также дипольно-радикальной. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп -ОН и кислорода.
Ионно-релаксационная поляризация (Сир, rир) наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стёклах, и связана с необратимой потерей энергии. В этом случае на фоне хаотических тепловых движений слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решётки. После снятия поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.
|
|
|
Электронно-релаксационная поляризация (Сэр, rэр) возникает за счёт возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Она характерна для диэлектриков, приближающихся по свойствам к полупроводникам. Для этого механизма следует отметить относительно высокую способность к поляризации, а также наличие максимума при определённой температуре.
Резонансная поляризация (Срез, rрез) наблюдается в диэлектриках при световых частотах. Она зависит от физико-химических особенностей вещества, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах). Резонансные потери наблюдаются в газах и твёрдых телах, если частота электрического поля совпадает с частотой собственных колебаний частиц. Они выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля и используются для накачки лазеров.
|
|
|
Миграционная поляризация (См, rм) является дополнительным механизмом поляризации, проявляющимся в твёрдых телах неоднородной структуры при наличии в них проводящих и полупроводящих вкраплений. Эта поляризация проявляется при наиболее низких частотах и связана со значительными потерями электрической энергии. Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. д. .
При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. В граничных слоях слоистых материалов и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов, что создает эффект миграционной поляризации
Самопроизвольная (спонтанная) поляризация (Ссп, r сп ) существует у группы твёрдых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации, как и сегнетова соль (NaKC4H4O6 ·4H20), a потому получивших название сегнетоэлектриков. У сегнетоэлектриков наблюдается доменная структура, а зависимость заряда от напряжения (кулонвольтная характеристика) имеет форму петли гистерезиса.
Резистор R и соответствует потерям на ионизацию, происходящую при коронных разрядах и также в газовых включениях внутри жидких и твёрдых диэлектриков.
1.3 Диэлектрическая проницаемость материала и угол потерь Эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, представлена на рисунке 1.1, б в виде соединённых параллельно конденсатора С и резистора R .
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле складывается из различных механизмов и характеризуется значением относительной диэлектрической проницаемостиε = С / С0,где С - ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком;С0 - ёмкость конденсатора того же размера в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость материала ε формируется за счёт различных механизмов поляризации и зависит от температуры и частоты. Её изменение при нагреве характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε, измеряемым в К-1 (в долях на градус Кельвина).Для газов, неполярных жидкостей и твёрдых диэлектриков характерен отрицательный ТКε, что объясняется их расширением при нагреве. Для полярных жидких и твёрдых изоляционных материалов характерен положительный ТКε, т. к. подвижность диполей при нагреве увеличивается, однако возможны и участки с отрицательным ТКε. Численные значения ТКε для большинства изоляционных материалов находятся в пределах от миллионных до тысячных долей на кельвин.
Диэлектрическими потерями называют энергию электрического поля, затрачиваемую на нагрев диэлектрика. При переменном напряжении потери энергии в диэлектрике намного больше, чем при постоянном, здесь основной причиной нагрева является периодическое изменение поляризации диэлектрика. Если напряжения и токи синусоидальны, то их можно представить в виде проекций на вертикальную ось векторов, вращающихся против часовой стрелки с угловой частотой ω (радиан в секунду, с-1)ω = 2πf,где f - частота колебания, Гц.
Рисунок 1.1, в является векторной диаграммой, а точки проекции концов векторов на вертикальную ось координат описывают осциллограммы на ленте, протягиваемой в горизонтальном направлении.
Протекание синусоидального тока через конденсатор сопровождается его периодической перезарядкой. В идеальном конденсаторе С напряжение отстаёт от тока на четверть периода, т. е. на 90° (электрических). На векторной диаграмме рисунка вектор емкостного тока, равного UωС, повёрнут относительно напряжения U на 90° против часовой стрелки, т. е. в сторону опережения. В реальном диэлектрике угол φ сдвига фаз между током и напряжением немного меньше, т. к. присутствует ток утечки через сопротивление R изоляции, равный U / R и совпадающий по фазе с напряжением U .
Углом потерь энергии в материале диэлектрика называют угол δ, дополняющий угол сдвига фаз φ между напряжением и током до 90°. Для оценки качества изоляционного материала используют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ . Значение тангенса угла диэлектрических потерь tgδ показывает, какая часть от энергии, запасаемой в изоляционном материале в процессе поляризации, теряется, т. е. расходуется на его нагрев. Чем меньше угол δ и его тангенс, тем меньше энергии теряется за 1 цикл переполяризации, следовательно, такой материал можно применять при более высокой частоте.
Потери энергии конденсатора вызывают его нагрев и могут привести к тепловому разрушению. Если конденсатор используется в колебательном контуре, то потери препятствуют острой настройке на резонанс. Они проявляются через снижение добротности контура и ускоренное затухание колебаний. Потери в изоляции проводов линий связи уменьшают дальность передачи сигналов. Оценка диэлектрических потерь имеет важное значение не только для высокочастотных устройств, но и для материалов, используемых в установках высокого напряжения
Особенно она важна в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку мощность диэлектрических потерь пропорциональна квадрату действующего значения приложенного к диэлектрику напряжения. Мощность потерь в изоляции Р, Вт,P = ωCU 2 tgδ ,где ω - угловая частота, с-1;С - эквивалентная ёмкость изоляции, Ф;U - действующее значение напряжения, В;δ- угол диэлектрических потерь, tgδ= l/(RωC);R - эквивалентное сопротивление изоляции, Ом.
В чистых неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью и пренебрежимо малы. У хорошо очищенного нефтяного трансформаторного масла tgδ = 0,001 при ε = 2,3.В полярных жидкостях потери в основном поляризационные. Удельная электропроводность полярных жидкостей при комнатной температуре составляет 10-10÷10-11 См/м, а дипольно-релаксационные потери, наблюдаемые при переменном напряжении, значительно превосходят потери от электропроводности, ввиду чего полярные жидкости используют только на промышленной частоте.
Следует помнить, что параметры С и R схемы замещения определяются при определённых значениях частоты тока и температуры изоляции, и при других режимах будут иными.Мощность потерь, отнесенную к единице объёма диэлектрика, называют удельными потерями и измеряют в ваттах на кубометр.Характер проявления диэлектрических потерь различен в зависимости от агрегатного состояния электроизоляционных материалов: газообразного, жидкого, твёрдого.
В газах наблюдаются ионизационные потери при высоких напряжениях и, чаще всего, в неоднородном поле, когда напряжённость в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение в газе. Ионизация воздуха в порах твёрдой органической изоляции сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает её химическое разрушение.
В твёрдых веществах, в зависимости от их состава и строения, возможны все виды диэлектрических потерь.Диэлектрические потери в особо чистых неполярных веществах с молекулярной структурой ничтожно малы. Полиэтилен, фторопласт, полистирол и другие полимеры широко применяют в качестве высокочастотной изоляции, в том числе и высоковольтной.
Полярные полимеры - поливинилхлорид, эпоксидные компаунды, кремнийорганические и фенолформальдегидные смолы, целлюлоза и другие из-за дипольно-релаксационной поляризации отличаются повышенными потерями и применяются в основном на промышленной частоте 50 Гц.Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в кристаллической решётке
В веществах с плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решётку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся слюда и другие кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора.
К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплотной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав изоляторного фарфора и огнеупорной керамики.Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой (неорганических стёклах) в большой степени зависят от их состава ( tgδ от 0,0002 до 0,01). При совпадении частоты напряжения с частотой колебаний ионов происходят резонансные потери.
Сегнетоэлектрики переполяризуются по петле гистерезиса, поэтому для них характерны весьма большие значения тангенса угла диэлектрических потерь, достигающие 0,1.
1.4 Пробой изоляции и электрическая прочность диэлектрика Находясь в электрическом поле, диэлектрик может потерять свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Если произошел пробой газовой изоляции, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливается. Жидкий диэлектрик также может восстановить свои изоляционные свойства, но частично, так как загрязняется из-за распада части молекул. Пробой твёрдых диэлектриков приводит к необратимому разрушению изоляции.
Значение напряжения, приводящего к пробою изоляции, называют пробивным напряжением Uпр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика h и формы изоляционной детали, а также конфигурации электродов и параметров приложенного напряжения – полярности, частоты, амплитуды. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного изоляционного изделия противостоять воздействию конкретного электрического поля. Характеристикой самих материалов, удобной для их сравнения, является электрическая прочность
Электрической прочностью называют напряжённость Епр, соответствующую пробивному напряжению Uпр в однородном электрическом поле. Однородным называют поле, в каждой точке которого напряжённость имеет одно и то же значение и направление. Однородное поле может быть получено между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. Электрическая прочность Епр измеряется в вольтах, делённых на метр, пр = Uпр/h,где Uпр – пробивное напряжение; h – расстояние между электродами.На практике используют единицу измерения кВ/мм = МВ/м.
По механизму нарушения изоляции различают пробои:электрический, электротепловой электрохимический Электрический пробой происходит в результате развития процессов ударной и фотонной ионизации материала диэлектрика. Этот процесс характерен для газов, однако его можно наблюдать в особо чистых неполярных жидкостях и твёрдых веществах.
Причиной теплового пробоя является разогрев материала из-за диэлектрических потерь. Он характерен для полярных жидкостей и твёрдых материалов с неплотной упаковкой атомов, содержащих подвижные ионы или группы ионов.Однако, чаще всего, причиной выхода изоляции из строя является электрохимический пробой, происходящий в результате её старения – постепенного необратимого ухудшения свойств из-за различных химических реакций, особенно вызванных воздействием высокого напряжения
Дата добавления: 2022-11-11; просмотров: 20; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!