Пробой жидких диэлектриков. Механизм пробоя. Влияние различных факторов на разрядное напряжение жидких диэлектриков, в том числе влажности, загрязнений и вязкости.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 9Следующая ⇒

Согласно закону Вальдена, произведение удельной проводимости жидкого диэлектрика на его вязкость является величиной постоянной и не зависит от температуры. Закон Вальдена выполняется лучше для чистых жидкостей и хуже при наличии в них примесей. Для неполярных жидкостей отступление от закона Вальдена более заметно, чем для полярных. На рис 2.3 приведена зависимость тока от напряженности поля в жидких диэлектриках.

Рис 2.3.Зависимость тока от напряженности поля в жидком диэлектрике.

Удельная проводимость в зависимости от концентрации ионов может быть представлена уравнением , где п - число ионов в , - заряд

иона; - подвижность, соответственно положительных и отрицательных ионов.

При небольших значениях напряженности электрического поля подвижность положительных и отрицательных ионов незначительная, порядка

. В этом случае, вследствие малой длины свободного пробега, электроны не успевают получить достаточную кинетическую энергию для ударной ионизации. Ток подчиняется закону Ома. При напряжённостях электрического поля! О МВ/м и более закон Ома уже не выполняется, что связано с появлением электронной проводимости вследствие ударной ионизации и увеличением числа ионов, движущихся под действием поля. Удельная проводимость очищенных технических жидких диэлектриков находится в пределах 1/Ом м.

В коллоидных системах наблюдается молионная или электрофоретическая электропроводность, при которой носителями зарядов являются группы молекул - молионов. Скорость движения таких частиц зависит от вязкости жидкости. В соответствии с законом Стокса установившаяся скорость движения шара в вязкой среде определяется как

(2.7)

где F - сила, действующая на шар; г - радиус шара; - динамическая вязкость.

Сила, которая действует на электрический заряд и вызывает его направленное перемещение равна, F = q E. Тогда

(2.8)

Подвижность зарядов определяется как . Учитывая это, определим

из приведенного уравнения подвижность носителей зарядов в жидких диэлектриках

(2.9)

Из данного уравнения видно, что подвижность носителей зарядов в жидких диэлектриках существенно зависит от размеров частиц и вязкости жидкости.

В общем виде удельную проводимость диэлектриков можно представить в виде у = nqu. Тогда, с учётом вышеприведенного уравнения, удельную проводимость жидкого диэлектрика при молионной электропроводности определим как

(2.10)

Удельная проводимость жидких диэлектриков сильно зависит от температуры, так как при её повышении уменьшается вязкость жидкости и увеличивается концентрация свободных носителей зарядов вследствие тепловой диссоциации. Данная зависимость имеет вид

(2.11) где а - температурный коэффициент увеличения удельной проводимости.

Пробой жидких диэлектриков. Механизм пробоя. Влияние различных факторов на разрядное напряжение жидких диэлектриков, в том числе влажности, загрязнений и вязкости.

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях.

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты.

Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде, с меньшей длиной свободного пробега l накопил энергию, достаточную для ионизации.

П рироду пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей. Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т. е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности.

Резкое снижение Е_пр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля. В случае «сухих» волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на Е_пр жидкости.

Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является влага, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях.

На рис.11.70 представлена зависимость Е_пр трансформаторного масла от содержания воды. Как показывает опыт, водная эмульсия резко снижает электрическую прочность масла. При 65° С, когда заведомо большая часть воды находится в растворенном состоянии, Е_пр масла почти в три раза превышает Е_пр масла при температуре 25° С (при общей концентрации воды в пределах 0,02—0,1%).

Процессы, связанные с движением и перераспределением примесей, являются сравнительно медленными. Поэтому закономерности пробоя жидкостей изменяются со временем воздействия напряжения. В частности, Е_пр жидкого диэлектрика, протекающего между электродами, обычно выше Е_пр неподвижной жидкости (эффект В. С. Дмитревского).

Механизм пробоя жидкого диэлектрика с эмульгированной влагой был предложен Гемантом. В отсутствие внешнего электрического поля частицы влаги в жидком диэлектрике принимают форму с минимальной поверхностью т.е. форму шара и в зависимости от соотношений плотностей воды и жидкого диэлектрика определённым образом распределены по объёму последнего. При приложении к диэлектрику электрического поля частицы влаги, поляризуясь, втягиваются в межэлектродное пространство приобретая при этом форму эллипсоидов вращения большой полуосью направленной по полю. В качестве критерия Гемантом принято условие: когда капли выстроившись по полю перекроют на 60 ¸ 70% межэлектродное пространство произойдёт пробой.

При пробое, за счёт повышенных температур в канале пробоя, происходит испарение влаги. Вследствие этого, при повторных пробоях сильно увлажнённых жидкостей может наблюдаться увеличение электрической прочности за счёт подсушки. Механизм пробоя жидкого диэлектрика с твёрдыми (в том числе и проводящими) примесями был предложен А.Ф. Вальтером.

При приложении электрического поля в местах скопления твёрдых частиц за счёт диэлектрических потерь происходит разогрев, в результате которого жидкость вскипает с выделением газообразных продуктов. Но т.к. электрическая прочность газа гораздо ниже электрической прочности жидкого диэлектрика, пробой будет происходить по этим газовым включениям.

Электропроводность твердых диэлектриков, объемная и поверхностная. Способы измерения их характеристик. Влияние температуры на удельную объемную электропроводность. Электропроводность двухслойного диэлектрика в постоянном электрическом поле.

Электропроводность– явление, обусловленное наличием свободных и слабо связанных носителей заряда в диэлектрике. Эти заряды под действием постоянного приложенного напряжения приобретают направленное движение, вызывая тем самым электрический ток.

Идеальный диэлектрик должен иметь бесконечно большое электрическое сопротивление и не должен пропускать электрический ток. Однако реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью (током утечки), и их удельное сопротивление составляет величину, лежащую в пределах от 10⁶ (практически 10⁹) до 10¹⁷ Ом·м и выше. Поэтому, в диэлектрике при подведении к нему электрического поля наряду с поляризационными процессами, возникает также явление электропроводности.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величинесквозных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:

+ .

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещенияD:

= ,

обусловленного мгновенными (электронными, ионными) и замедленными смещениями зарядов.

Как видно из рисунка 3.3., после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может быть формироваться неправильное представление о проводимости.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Истинной сопротивление изоляции, определяющее сквозной ток, моет быть вычислено по следующей формуле:

Поскольку при определении абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток.

При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает (см. рис.2 в конспекте 1). Поэтому электропроводность диэлектриков при повышении температуры растет в соответствии с выражением:

g=g₀exp(E_a/kT) (2.1)

Рис. 25. Зависимость электропроводности от температуры.

^{где: g - удельная электропроводность диэлектрика, g}_о-константа, E_a- энергия активации выхода иона из потенциальной ямы, kT- тепловая энергия системы. Зависимость электропроводности от температуры показана на рис. 25.

2.1.2 Влияние напряженности поля на электропроводность диэлектриков

При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома. При дальнейшем повышении напряженности поля возможны два случая: в первом электропроводность быстро нарастает с ростом напряженности поля (рис. 26 а), а во втором - вначале наступает насыщение электропроводности, и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (рис. 26 б).

^{Рис.26. Зависимость электропроводности от напряженности поля для загрязненных диэлектриков и чистых диэлектриков с ионной связью (а) и неионных кристаллов высокой чистоты (б).}

^{Первый случай наблюдается в загрязненных диэлектриках и чистых диэлектриках с ионной связью, в которых при увеличении напряженности поля происходит размножение заряженных частиц. Второй случай типичен для неионных диэлектриков высокой чистоты, в которых число заряженных частиц ограничено, что и вызывает насыщение электропроводности. В очень сильных полях происходит размножение ионов в результате перехода к пробою диэлектриков.}

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1188; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!