Поляризация диэлектриков. Виды поляризации и их взаимосвязь с диэлектрическими потерями. Поляризация двухслойного диэлектрика. Схема замещения диэлектрика.

 

 

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика и на какие расстояния, смещаясь, вызывают поляризацию. Все частицы диэлектрика, вызывающие поляризацию, можно объединить в 2 группы: упруго (сильно) связанные ислабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды), их обычно называют связанные заряды, имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах элементарной ячей ки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствии электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабосвязанных частиц из одного равновесного положения в другое осуществляется под действием флуктуаций теплового движения.

В соответствии с изложенной картиной все виды поляризации подразделяют на:

• упругие (деформационные) - поляризация под воздействием электрического поляпрактическимгновенная, вполне упругая,без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;

1. электронная;
2. ионная;

• релаксационные - поляризация,совершаемая не мгновенно, а нарастающая или убывающая замедленно исопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. егонагреванием.

Электронная поляризация (ЭП)представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках.

Время установления ничтожно мало (около 10^-15 с). Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна показателю преломления светаn. Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однакоЭПвеществауменьшается с повышением температурыв связи степловым расширением диэлектрикаи уменьшением числа частиц в единицу объема.

Ионная поляризация (ИП)наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) изаключается в смещенииупруго связанных ионов под действием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной решетки, т.е. в упругой деформации решетки. В этом виде поляризации принимают участия также слабо связанные и свободные ионы. Сповышением температурыонаусиливаетсяв результатеослабления упругих сил,действующих между ионами, из-заувеличения расстояния между нимипри тепловом расширении. Время установления около 10^-13 с.

Релаксационными видами поляризацииявляются: ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно, обуславливая тем самым диэлектрические потери.

Ионно-релаксационная поляризацияимеет место в диэлектриках ионного строения аморфных (неорганические стекла и кристаллических с неплотной упаковкой ионов (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.).Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении ,вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо связанных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансии. На рисунке схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCl, имеющего неплотно упакованную решетку ионами.

В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы, совершая тепловые колебания, временами перескакивают из одного равновесного положения в другое. При этом число ионов, переместившихся в одном направлении, будет равно числу ионов, переместившихся в обратном направлении.Если к диэлектрику приложить электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов из узлов решетки (сетки) в вакансии приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные – против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся свободными и, следовательно, не обуславливают электропроводность. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные заряды, которые и обуславливают ионно-релаксационную поляризацию. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Дипольно – релаксационная поляризация (дипольная). Наблюдается только в полярных диэлектриках, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых имеют постоянных дипольный момент . Например, в полихлордфенил, канифоль, ПВХ и др. ДРП заключается в том, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость возрастает (участок 1-2).

Однако с повышением температуры возрастает и интенсивность хаотического теплового движения диполей, и выше некоторой температуры Т_Мдезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т>Т_М) дипольно-релаксационная поляризуемость уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагревании возрастает, проходит через температурный максимум и далее снижается.

Сопротивление в цепи учитывает потери энергии, которые расходуются для поворота диполей в вязкой среде.

ДП свойственна:

• полярным газам;
• жидкостям;
• может наблюдаться у твердых полярных органических веществ.

Электронно-релаксационная поляризациявозникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью. Следует отметить высокое значение диэлектрической проницаемости, которое может быть при электронно-релаксационной поляризации.

Миграционная поляризациянаблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (поры, заполненные влагой). При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнетмежслойная поляризация,которая и обуславливает миграционную поляризацию.

Миграционная поляризация протекает очень медленно (до десятков минут), поэтому она проявляется только при постоянном напряжении и на низких частотах (до 0,5 кГц). С увеличением частоты напряжения миграционнаяполяризуемость линейно снижается и при не проявляется. С увеличением температуры возрастает, так как увеличивается процесс накопления зарядов. Этот вид поляризации вызывает у материала заметное увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь .

Спонтанная поляризациясуществует у сегнетоэлектриков.В таких веществах имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественно ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации.

В температурной зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным рассеянием энергии, т.е. выделением теплоты.

2.4. Схема замещения диэлектрика.

 

Н

Рис.5. Диэлектрик сложного состава с различными механизмами поляризации в электрическом поле и его эквивалентная схема замещения.

а рис.4. представлен подключенный к источнику напряжения диэлектрик сложного состава с различными механизмами поляризации и его эквивалентная схема замещения (рис.5).

К электродам подключен источник постоянного напряжения U. Приложенное напряжение создает в диэлектрике электрическое поле, на которое диэлектрик реагирует путем поляризации.

На схеме замещения обозначены: C₀, Q₀– емкость и заряд конденсатора в вакууме, эти параметры не зависят от вида диэлектрика;C₀, Q₀ – емкость и заряд обусловленный действиемi-го механизма поляризации, R_di – сопротивления, обусловленные потерями энергии для этих механизмов поляризации. Например, для деформационных видов поляризации это сопротивление равно нулю, а для релаксационных – больше нуля;R_н – активное сопротивление изоляции сквозному току утечек, который обусловлен движением свободных заряженных частиц. Таким образом, схема замещения диэлектрика содержит как реактивные компоненты (емкость), отображающие способность диэлектрика накапливать энергию электрического поля, так и активные компоненты (сопротивления), обусловленные как потерями некоторых механизмов поляризации, так и сопротивлением сквозному току.

 

Разряд вдоль поверхности жидкого диэлектрика. Влияние характера поля на развитие поверхностного разряда. Длина скользящего разряда и разрядное напряжение. Влияние увлажнения и загрязнения поверхности на величину разрядного напряжения по поверхности диэлектрика.

 

 

Кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции. Вероятностный подход к оценке разрядного напряжения. Факторы, влияющие на величину разрядного напряжения при кратковременном воздействии.

 

 

Внутренняя изоляция оборудования энергосистем должна надежно выдерживать грозовые и внутренние перенапряжения. Электрическая прочность при воздействии перенапряжений характеризует способность изоляции противостоять этим воздействием и определяется пробивным напряжением (пробивной напряженностью электрического поля) при нормированных воздействиях.

Перенапряжения не должны приводить к полному пробою внутренней изоляции, а также к появлению в ней каких-либо местных повреждений, влекущих за собой сокращение срока службы изоляционной конструкции. Такие повреждения при перенапряжениях могут быть вызваны частичными разрядами. Это возможно в том случае, если энергия частичных разрядов достаточна для разрушения изоляции за малое время существования перенапряжения. Например, опасные повреждения возможны при появлении критических частичных разрядов в бумажно-масляной изоляции, а также в маслобарьерной изоляции силовых трансформаторов при частичных разрядах в виде пробоя первого масляного канала.

Таким образом, кратковременная электрическая прочность внутренней изоляции или ее способность выдерживать воздействие перенапряжений не всегда характеризуется напряжением полного (сквозного) пробоя, в ряде случаев она определяется напряжением появления частичных разрядов (ЧР) с опасной для данной изоляции интенсивностью.

Это весьма важно с практической точки зрения. Например, при заводском контроле изоляционных конструкций отсутствие пробоя во время приложения испытательного напряжения еще не означает, что испытания прошли успешно. Необходимо убедиться в том, что под действием испытательного напряжения в изоляции не появились частичные повреждения. С этой целью до и после приложения испытательного напряжения состояние изоляции обязательно контролируется с использованием методов, позволяющих обнаружить местные дефекты (например, по характеристикам частичных разрядов).

Кратковременная электрическая прочность обычно рассматривается применительно к следующим нормированным воздействиям:

а) электрическая прочность при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты (плавный подъем напряжения с определенной скоростью или одноминутное приложение напряжения) - используется при определении требуемых габаритов изоляции по заданным испытательным напряжениям промышленной частоты, при определении допустимых испытательных напряженностей электрического поля по результатам этих испытаний, а также при определении размеров (допустимых напряженностей) по уровню длительных квазистационарных перенапряжений;

б) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью порядка десятков микросекунд - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным грозовым перенапряжениям, возникающим в электропередачах при ударах молнии. В этом случае при испытаниях чаще всего используются импульсы 1,2/50 мкс и срезанные импульсы при времени среза 2-3 мкс;

в) электрическая прочность при импульсных напряжениях длительностью от сотен микросекунд до десятых долей секунды - используется при определении размеров изоляции (допустимых напряженностей) по заданным внутренним коммутационным перенапряжениям. Испытания изоляции чаще всего проводятся апериодическим импульсом с фронтом примерно 250 мкс и длительностью примерно 2500 мкс (250/2500 мкс) или колебательным импульсом; например, для внутренней изоляции силовых трансформаторов - с фронтом не менее 100 мкс и длительностью импульса не менее (длительностью первого полупериода до полуспада напряжения) 1000 мкс.

Электрическая прочность внутренней изоляции зависит как от амплитуды и длительности, так и от его формы. При этом воздействие колебательных импульсов для некоторых видов изоляции более опасно, чем апериодических при одинаковой амплитуде импульса. Снижение электрической прочности при колебательных импульсах напряжения по сравнению с апериодическими связано с тем, что в первом случае количество ЧР, возникающих в изоляции при каждом импульсе, больше, чем во втором.

Частичные разряды сопровождаются разрушением изоляции, и поэтому многократное воздействие перенапряжений приводит к накоплению разрушений (кумулятивный эффект), например к образованию газовых полостей в пропитанной изоляции за счет разложения жидкого диэлектрика и снижению напряжения частичных разрядов.

Для каждого вида электрооборудования может быть введено понятие внутреннего ресурса. Внутренний ресурс изоляционной конструкции представляет собой величину, характеризующую способность изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему действию процессов, протекающих при этом напряжении.

Данные о кратковременной электрической прочности при стандартных грозовых импульсах напряжения и при плавном или ступенчатом подъеме напряжения 50 Гц. Соответствующие напряжения будем обозначать далее и . При этом требования о том, что внутренняя изоляция должна выдерживать воздействия грозовых и внутренних перенапряжений, могут быть

записаны в виде следующих неравенств:

> (6.1)

> (6.2)

где и - испытательные напряжения соответственно импульсное и промышленной частоты, значения которых устанавливаются с учетом уровней возможных в эксплуатации грозовых и внутренних перенапряжений.

В силу случайной природы разрядных процессов во внутренней изоляции и неконтролируемых различий между внешне одинаковыми изоляционными конструкциями напряжения и являются величинами случайными, подверженными значительным разбросам. Следовательно условия (6.1) и (6.2) должны соблюдаться с некоторой достаточно высокой вероятностьюР, зависящей от требований к надежности изоляции (например, Р=0,999). Это означает, что в условия (6.1) и (6.2) должны входить такие значения напряжений и , вероятность появления которых или еще более низких очень мала и равна 1- Р.

Напряжения и , соответствующие требуемой малой вероятности пробоя, или повреждения изоляции называются допустимыми для данной изоляционной конструкции. Обозначим их и . Таким образом, условиями нормальной работы внутренней изоляции при перенапряжениях будут неравенства

³ (6.3)

³ (6.4)

При разработке изоляционных конструкций пользуются значениями напряжений и , полученными по результатам испытаний соответствующих конструкций или макетов, воспроизводящих ту или иную часть конструкции. Для этого результаты испытаний достаточно больших партий конструкций или макетов подвергают статистическому анализу, выбирают вид функций распределения и и оценивают их параметры, например, математические ожидания ; и среднеквадратические отклонения . Затем, используя функции распределения и , определяют допустимые напряжения из условий

£1- Р; (6.5)

£1- Р, (6.6)

где Р - вероятность того, что конструкция выдержит перенапряжения без пробоя и повреждения.

 

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1278; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!