Діелектричні втрати в рідких діелектриках
Діелектричні втрати в рідких діелектриках обумовлені електропровідністю і явищем поляризації. Носіями зарядів у технічних рідких діелектриках можуть бути іони, що утворюються внаслідок дисоціації молекул даної рідини, а також більш великі колоїдні частки, що можуть впорядковано рухатися в електричному полі.
Питома провідність неполярних чистих рідин незначна, у зв'язку з чим малі й діелектричні втрати.
Полярні рідини, крім втрат, обумовлених електропровідністю, можуть мати значні втрати, пов'язані з діпольно - релаксаційною поляризацією. Ці втрати при змінній напрузі значно перевершують утрати, викликані електропровідністю. На величину втрат, обумовлених діпольно-релаксаційною поляризацією, помітний вплив здійснює в'язкість рідини. При великій в'язкості молекули не встигають слідкувати за зміною поля, і діелектричні втрати при цьому незначні. Якщо в'язкість рідини мала, то орієнтація молекул відбувається практично без тертя і діелектричні втрати також незначні. При середній в'язкості діелектричні втрати збільшуються і при деякому значенні в'язкості мають максимум. На рис.3.4. подано залежність 
від температури.
Рис.3.4.Залежність 
для полярної рідини
При дальшому збільшенні температури зростає електропровідність і відповідно ростуть втрати. Збільшення частоти зміщує представлену залежність в область більш високих температур. Характер залежності потужності, що розсіюється, при діпольно- релаксаційних втратах у рідкому діелектрику від частоти представлений на рис.3.5.
|
|
|
Pа
f 
Рис.3.5-Залежність потужності, що розсіюється в діелектрику від частоти
Втрати змінюються доти, поки поляризація встигає орієнтуватися за зміною поля. Коли діпольні молекули вже не встигають орієнтуватися в напрямку поля, потужність, що розсіюється, залишається практично незмінною.
Діелектричні втрати у твердих діелектриках
У зв'язку з тим, що тверді речовини мають різноманітний склад і будову, у них можливі всі види діелектричних втрат.
Діелектричні втрати в діелектриках молекулярної структури залежать від виду молекул. Діелектрики з неполярними молекулами і які не мають домішок, мають мізерно малі діелектричні втрати. До таких діелектриків відносяться поліетилен, полістирол, політетрафторетилен (фторопласт – 4), церезин та ін. Вказані діелектрики в зв'язку з малими втратами доцільно використовувати при високих частотах.
Діелектрики з полярними молекулами, для яких характерна діпольно - релаксаційна поляризація, мають великі втрати, що істотно залежать від темпе-атури. До них відносяться: поліметилметакрилат (органічне скло), папір, картон, поліаміди ( капрон та ін.), поліуретан, бакеліт, каучукові матеріали й ін. Крива залежності 
від температури для паперу показана на рис.3.6.
|
|
|
0,02 
10кгц
0,01 1кгц
0 Т
-40 0 40 80 оС
Рис.3.6 - Залежність 
для паперу
Зростання 
після переходу через мінімум пов’язано зі збільшенням втрат від електропровідності.
Діелектричні втрати у твердих речовинах з іонною структурою залежать від особливостей розташування іонів у гратках. У речовинах з кристалічною структурою з щільним упакуванням іонів діелектричні втрати при відсутності домішок незначні. Наявність домішок, які приводять до зміни кристалічних граток, призводить до різкого збільшення діелектричних втрат. При високих температурах у цих діелектриках з'являються втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Ці речовини знайшли широке застосування при виробництві електротехнічної кераміки, наприклад, корунду (Al2O3).
Для кристалічних діелектриків з нещільним упакуванням іонів характерна релаксаційна поляризація, що викликає збільшення діелектричних втрат. При підвищенні температури число іонів, які беруть участь у релаксаційній поляризації, постійно зростає, внаслідок чого в залежності 
відсутній максимум. Застосовуються ці матеріали в основному при виробництві ізоляторного фарфору, вогнестійкої кераміки. Прикладом таких речовин служать циркон (компонент вогнестійкої кераміки), муліт (компонент ізоляторного фарфору), 
- глинозем та ін.
|
|
|
Діелектричні втрати в аморфних речовинах з іонною структурою мають характерні риси. Прикладом їх є неорганічні стекла. Внаслідок локальних неоднорідностей структури скла релаксаційні втрати характеризуються широким набором часу релаксації. Це приводить до розширення і деякого згладжування максимумів у температурній і частотній залежності тангенса кута діелектричних утрат. На величину діелектричних втрат у даних речовинах істотно впливають будь-які порушення структури (відпал, загартування, введення добавок і т.д.). Крім втрат, обумовлених поляризацією, у стеклах можуть виникати втрати, пов'язані з електропровідністю, що викликається пересуванням слабкосвязанних іонів. Виявляються вони, як правило, при температурах 50-100 оС.
Діелектричні втрати в сегнетоелектриках вище, ніж у звичайних діелектриках. Вони мало змінюються при зміні температури в області мимовільної поляризації і різко зменшуються при температурі вище точки Кюрі, коли мимовільна поляризація зникає.
|
|
|
До твердих речовин неоднорідної структури належать матеріали, до складу яких входить не менше двох компонентів. Характерним представником таких діелектриків є кераміка. У складі кераміки розрізняють кристалічну, склоподібну і газову фази. Кількісне співвідношення між кристалічною і склоподібною фазами фактично і визначає діелектричні втрати в кераміці. Наявність газової фази призводить до збільшення діелектричних втрат у кераміці, коли при високих напруженостях поля виникає іонізація.
Діелектричні втрати в просоченому папері залежать від електричних властивостей її компонентів ( волокон целюлози і складу, що просочує), а також від наявності повітряних включень. Залежність 
від температури для паперу, просоченого маслоканіфольним компаундом, наведена на рис.3.7.
Перший максимум при негативних температурах пов'язаний з діпольно-релаксаційними втратами в целюлозі, а другий – з діпольно-релаксаційними втратами в компаунді, що просочує.
До неоднорідних діелектриків відносяться також широко застосовувані в електроізоляційній техніці різні пластмаси з наповнювачами, слюдяні вироби (міканіти, мікалекси), каучукові вироби з наповнювачами і т.д.
Рис.3.7 – Залежність від температури для папера, просоченого маслоканіфольним компаундом
Розглянемо зміну 
активних втрат у діелектрику від зовнішніх факторів на конкретному прикладі.
Задача. При кімнатній температурі тангенс кута діелектричних втрат ультра-фарфору 
, при зростанні температури до 100 0С він збільшується в два рази. Чому дорівнює цього матеріалу при температурі 200 0С?. У скільки разів збільшиться активна потужність, що виділяється у високочастотному прохідному ізоляторі з цього матеріалу, при зміні температури від 20 до 200 оС? Зміною діелектричної проникності кераміки можна знехтувати. Втрати в ультрафарфорі обумовлені наскрізною електропровідністю, тому тангенс кута діелектричних утрат збільшується з температурою за експонентним законом
,
де 0 – значення при Т0=20 0С; 
- температурний коефіцієнт , що може бути знайдений з виразу
.
Тоді 200 = 2,38*10-3.
У зв'язку з тим, що активна потужність в ізоляторі Ра росте з температурою пропорційно 
, запишемо
Література: [1 с.43 –57.]
Контрольні запитання:
1.Опишіть процеси, що обумовлюють діелектричні втрати в діелектриках.
2.Перелічіть параметри, що характеризують діелектричні втрати в матеріалах.
3.Наведіть схеми заміщення діелектрика з втратами, вкажіть умови їхньої еквівалентності. Побудуйте векторні діаграми для кожної схеми.
4. Опишіть види діелектричних втрат, дайте їм коротку характеристику.
5. Вкажіть фактори , що впливають на величину діелектричних втрат.
6. Дайте характеристику діелектричних втрат у газах.
7.Дайте характеристику діелектричних втрат у рідких діелектриках.
8. Дайте характеристику діелектричних втрат у твердих діелектриках.
Пробій діелектриків
При перевищенні прикладеної до діелектрика напруги вище деякого критичного значення ізоляційні властивості порушуються і відбувається утворення провідного каналу. При цьому струм витоку через діелектрик різко зростає, а опір відповідно зменшується. Явище утворення в діелектрику провідного каналу під дією електричного поля називається пробоєм. Залежність струму від прикладеної напруги показана на рис.4.1.
I
A
U
Uпр
Рис.4.1 – Вольт-амперна характеристика електричної ізоляції
Точка А, для якої dI/dU = ∞, відповідає пробою. Значення напруги, при якому відбувається пробій, називається пробивною напругою Uпр, а відповідне значення напруженості електричного поля – електричною міцністю Епр. Для найпростішого випадку однорідного електричного поля в діелектрику Епр =
Uпр/ h, де h – товщина діелектрика. У більшості випадків при збільшенні h значення Епр зменшується нелінійно.
Електрична міцність високоякісних твердих діелектриків, як правило, ви-ще рідких і тим більше газоподібних діелектриків. Однак газоподібні й рідкі діелектрики, на відміну від твердих, після пробою можуть через деякий проміжок часу відновити свої властивості при відсутності напруги.
Для надійної роботи будь-якого електротехнічного пристрою робоча напруга його ізоляції повинна бути значно менше пробивної напруги.
Фізична сутність розвитку пробою різна. Розрізняють наступні види пробою: чисто електричний, електротепловий, електромеханічний, електрохімічний, іонізаційний.
Чисто електричний пробій являє собою безпосереднє руйнування структури діелектрика силами електричного поля, що впливають на електрично заряджені частки в діелектрику. Цей вид пробою розвивається практично миттєво. Якщо одразу після додавання напруги не відбувся електричний пробій, то теоретично цю напругу діелектрик повинен витримувати тривалий час. Це положення не відноситься до пробою діелектрика короткочасними імпульсами.
Електротепловий пробій пов'язаний з нагріванням діелектрика в електричному полі в результаті діелектричних втрат. Процес нагрівання діелектрика протікає, постійно підсилюючись. Це приводить до істотної зміни структури діелектрика (розплавлювання, обвуглювання, розтріскування) і зменшенню його електричної міцності. При цьому достатньо, щоб розігрілося яке-небудь місце діелектрика, в якому тепловіддача гірше або підвищені питомі втрати, а середня температура всього діелектрика може практично не відрізнятися від первісної. При гарному тепловідводі може наступити рівновага між теплом, що виділяється в діелектрику, і його відводом у навколишнє середовище. У цьому разі діелектрик може тривалий час працювати під напругою. Якщо відведення тепла утруднене, то навіть незначна напруга, прикладена до діелектрика, через якийсь час може викликати пробій. При електротепловому пробої Uпр залежить як від частоти прикладеної напруги, так і від температури навколишнього середовища, зменшуючись при їхньому збільшенні.
Електромеханічний пробій виникає в результаті механічного руйнування діелектрика (утворення макроскопічних тріщин) силами електричного поля. У ряді випадків механічні руйнування в діелектриках виникають у результаті тиску електродів.
Електрохімічний пробій – це вид пробою, який повільно розвивається і пов'язаний з хімічною зміною матеріалу в електричному полі. Цей вид пробою спостерігається як при постійній, так і при змінній напрузі внаслідок розвитку в матеріалах електролітичних процесів.
Іонізаційний пробій пояснюється дією на діелектрик хімічно агресивних речовин, що утворюються в газових порах діелектрика при часткових розрядах, а також ерозією діелектрика на межі пор іонами газу.
Пробій газів
Повітря є найпоширенішим ізоляційним середовищем, що використовується в різних електротехнічних системах. Пробій повітря та інших газів слід розглядати як наслідок розвитку процесів ударної іонізації і фотоіонізації.
При впливі поля позитивні й негативні іони й електрони, що містяться в газі та знаходяться в безладному тепловому русі, починають переміщуватися в напрямку поля. При цьому вони одержують додаткову енергію W = q U 
, де q – заряд, U -різниця потенціалів на довжині вільного пробігу.
При однорідному полі можна вважати, що U = Е l, де Е - напруженість поля, l – довжина вільного пробігу зарядженої частки. Тоді
W = q E l . (4.1)
Ця енергія віддається атомам чи молекулам газу в момент зіткнення. Якщо ця енергія досить велика, то при зіткненні відбувається збудження атомів або молекул і навіть іонізація молекул. Енергію іонізації звичайно характеризують іонізаційним потенціалом Uи =Wи / q. Іонізаційний потенціал різних газів знаходиться в межах від 4 до 25В, що відповідає енергії іонізації від 4 до 25еВ.(табл.4.1)
Таблиця 4.1. Іонізаційний потенціал деяких газів
| Газ | H2 | N2 | O2 | Cl2 | Xe | Kr | Ar | He |
| Потенціал іонізації, В | 15,4 | 15,6 | 12,1 | 11,5 | 12,1 | 14 | 15,8 | 24,6 |
Швидкість і відповідно енергія електронів, яку вони здобувають при русі в електричному полі, визначаються в основному характером їхніх зіткнень з молекулами й атомами даного газу. Якщо електрони в газі при зіткненні з молекулами чи атомами випробують відносно велике число не пружних зіткнень, що характерно для складних молекул газу, то для досягнення ними енергії, необхідної для іонізації, потрібна велика напруженість електричного поля. Електрична міцність такого газу буде високою. Тому часто газу з малим іонізаційним потенціалом відповідає велика електрична міцність і навпаки. Так, одноатомні гази Ne, He, хоча і володіють високим іонізаційним потенціалом, але мають низьку електричну міцність. Зіткнення позитивних і негативних іонів з частками газу навіть при енергіях порядку тисячі електрон-вольт не приводить до іонізації газу. Пояснюється це тим, що:
-електрони мають у 100-1000 разів більшу рухливість, ніж іони;
-електрони мають на порядок більшу довжину вільного пробігу, ніж іони;
-енергія, передана іоном периферичному електрону нейтральної частки мала, тому умови для відщеплення електрона несприятливі.
У той же час, позитивні іони можуть вивільняти електрони з металу, бомбардуючи поверхню катода.
У ряді випадків електрон, розігнаний електричним полем, не іонізує молекулу, а переводить її в збуджений стан. При переході в урівноважений стан ця молекула віддає свою надлишкову енергію у вигляді випромінювання – випускає фотон. Якщо цей фотон буде поглинутий якою-небудь молекулою, то це може привести до її іонізації. Швидкість руху фотона більша, ніж швидкість руху електронної лавини. Вона складає 3 *108 м/с. Фотони обганяють електронну лавину й іонізують частки газу попереду основної лавини. Звільнені при цьому електрони породжують нові лавини далеко перед першою. У наступних стадіях окремі лавини, наганяючи одна одну, утворюють суцільний канал іонізованого газу з підвищеною провідністю, який називається стрімером.
Одночасно з ростом стрімера, спрямованого від катода до анода, починається утворення зустрічного лавинного потоку позитивно заряджених часток, спрямованого до катода. Утворюється розрядний канал у вигляді плазми з надлишковим позитивним зарядом.
Під впливом ударів позитивних іонів на катоді утворюється катодна пляма, що випромінює електрони.
У результаті зазначених процесів і виникає пробій газу. Чим більше прикладена напруга до газового проміжку, тим швидше відбувається пробій.
Якщо напруга подається у вигляді імпульсу, то чим менше тривалість імпульсу, тим більше пробивна напруга. Ця зміна пробивної напруги характеризується коефіцієнтом імпульсу 
, де 
- напруга пробою при імпульсній напрузі, 
- напруга пробою при постійній напрузі чи змінній напрузі з частотою 50 Гц.
Регламентуються дві форми випробувальних імпульсів: 1) грозовий імпульс з тривалістю переднього фронту 1,2 мкс і тривалістю імпульсу 50 мкс;
2) комутаційний імпульс з тривалістю переднього фронту імпульсу 250 мкс і тривалістю імпульсу 2500 мкс.
Грозовий імпульс умовно позначають символом 1,2/50, а комутаційний – 250/2500.
Для газових проміжків з однорідним чи слабко неоднорідним полями коефіцієнт імпульсу для стандартних імпульсів практично дорівнює одиниці. У випадку сильно неоднорідного поля в газовому проміжку коефіцієнт імпульсу залежить від полярності імпульсу, ступеня неоднорідності, довжини проміжку і для грозового імпульсу може істотно перевищувати одиницю.
Дата добавления: 2018-09-23; просмотров: 886; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!