6.5. Контрольные вопросы

1. Почему измерения сопротивления диэлектриков производят на постоянном напряжении?

2. Какие токи протекают через диэлектрик при включении его на постоянное напряжение?

3. Почему ток через диэлектрик надо измерять спустя 1 мин после включения его под напряжение?

4. Что называется удельным объемным сопротивлением диэлектрика? От чего оно зависит?

5. Что называется удельным поверхностным сопротивлением диэлектрика? От чего оно зависит?

6. Почему для определения удельных сопротивлений диэлектриков следует применять трехэлектродную систему?

7. Что представляют собой материалы, электропроводность которых Вы определяли в работе? Где они применяются?

8. Каковы особенности техники безопасности при выполнении работы?

9. Как влияет температура на электропроводность диэлектриков?

10. Что понимается под гигроскопичностью материала?

11. Почему увлажнение диэлектрика приводит к снижению его электроизоляционных свойств?

12. Каким образом можно предотвратить или замедлить увлажнение электрической изоляции?

13. Что такое равновесная влажность материала?

14. Что такое влагопроницаемость и смачиваемость материала?

Лабораторная работа м – 7 физические процессы в многослойных диэлектриках

Инструкция по технике безопасности

1. Ознакомиться с инструкциями по работе с мегомметром, приборами ПКВ и ЕВ–3, мостом МД–16 и строго следовать их требованиям.

2. Подключать объект испытания к приборам ПКВ и ЕВ–3, мегомметру только при отключенных приборах от сети.

3. При выполнении измерений приборами ПКВ, ЕВ–3 и мегомметром кате­горически запрещается касаться руками электродной системы или выходных зажимов, т. к. на них может быть напряжение до 1000 В. Кор­пуса всех приборов должны быть заземлены.

4. Изучить схему высоковольтной установки по измерению возвратного напряжения и порядок работы на ней. Учитывая повышенную опасность установки (наличие высоковольтного конденсатора) все переключения внутри высоковольтной кабины разрешается производить только преподавателю. Все переключения производятся только после наложе­ния заземляющей штанги на высоковольтный вывод конденсатора.

5. Не превышать значения напряжения на бумажно-бакелитовом конденсаторе сверх значения, указанного преподавателем.

6. При включении приборов в сеть или включении высоковольтной установки студент, производящий включение, должен сообщить всем членам бригады о включении словами «Включаю напряжение», а при отключении – «Напряжение снято».

7. Студентам разрешается производить включение установки и соответствующие измерения только после инструктажа и допуска преподавателем.

Целью работы является изучение процессов в многослойных диэлектриках, связанных с явлением абсорбции зарядов в неоднород­ных диэлектриках.

7.1. Предварительные сведения

Изоляция электрооборудования высокого напряжения состоит чаще всего из нескольких диэлектриков с различными диэлектрическими проницаемостями  и удельными объемными сопротивлениями . Такая изоляция является неоднородной. В ней при приложении электрического поля возникает относительно медленная миграционная поля­ризация, сопровождающаяся накоплением зарядов (зарядов абсорбции) на границах раздела диэлектриков с разными значениями  и . Миграционный вид поляризации в отличие от других видов поляризации обусловлен перемещением свободных зарядов, а не связанных.

В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своим удельным сопротив­лением и диэлектрической проницаемостью, рис. 7.1, а.

Р ис. 7.1. Двухслойный диэлектрик (а) и схемы его замещения (б, в)

В схеме замещения двухслойного диэлектрика, представленной на рис. 7.1, б, сопротивление утечки , и емкости слоев , в установившемся режиме рассчитываются по формулам:

,

где – площадь электродов;

и – толщина первого и второго слоев соответственно.

При воздействии на двухслойный диэлектрик постоянного напря­жения на границе слоев в установившемся режиме накапливается заряд абсорбции:

. (7.1)

Из этого выражения следует, что при условии или , что является признаком неоднородности изоляции и условием существования миграционной поляризации.

Для анализа явлений в неоднородной изоляции, используемых для контроля ее состояния, применяют схему замещения по рис. 7.1, в, где – сопротивление утечки всей изоляции в установившемся режиме; – геометрическая емкость изоляции, определяемая ее размерами и диэлектрическими проницаемостями слоев; – емкость, на которой происходит накопление заряда абсорбции; активное сопротивление и емкость определяют длительность накопления заряда при включении схемы на постоянное напряжение.

Из условия равенства полных сопротивлений двух схем замещения (б и в, рис.7.1) значения и могут быть рассчитаны по формулам:

. (7.2)

В случае однородной изоляции, когда или , сопротивление , а емкость , т. е. схема замещения (рис. 7.1, в) имеет лишь и , а заряд абсорбции не образуется.

О степени неоднородности изоляции можно судить по кривой возвратного напряжения, которая может быть получена следующим образом. Образец диэлектрика (рис. 7.1) или изоляцию высоковольтного оборудова­ния длительно выдерживают под постоянным напряжением (заряжают). За­тем ее отключают и кратковременно (на доли секунды) замыкают электроды, к которым подводилось напряжение. Если изоляция однородна, то за время замыкания нейтрализуются все заряды. Если же изоляция неоднородна, то нейтрализуются лишь заряды емкости , а заряд абсорбции (емкость ) сохраняется практически полностью.

Пока электроды замкнуты, емкости сдоев и соединены параллельно. В это время заряд абсорбции и связанный с ним заряд распределяются по емкостям и , заряжая их до одинакового по значению напряжения . После размыкания электродов емкости и оказываются соединенными последовательно, причем за­ряженными до одного и того же напряжения , но разной полярности. Поэтому в момент размыкания электродов суммарное напряжение на электродах равно нулю. Затем емкости и разряжаются на сопротивле­ния утечки слоев и , причем с разными постоянными времени, т. к. для неоднородной изоляции . Кривые саморазряда емкостей и показаны на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Кривые возвратного напряжения и саморазряда

В результате на электродах появляется так называемое возврат­ное напряжение. Для двухслойного диэлектрика кривая возвратного напряжения получается путем сложения кривых саморазряда и и и рассчитывается по формуле

, (7.3)

где – напряжение, до которого была заряжена изоляция.

Чем больше неоднородность изоляции, тем выше максимальное значение возвратного напряжения и тем больше различаются скорости его подъема и спада. При длительном приложении к изоляции постоянного напряжения оно распределяется по слоям пропорционально сопротивлениям утечки слоев и . В установившемся режиме напряжение на первом слое:

,

а на втором:

.

После отсоединения изоляции от источника напряжения емкости и разряжаются на сопротивления и , в результате чего напряжение на изоляции изменится в соответствии с выражением:

. (7.4)

Чем быстрее снижается напряжение на изоляции в процессе саморазряда, тем выше проводимость ее слоев, т. е. тем хуже изоляция.

При подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток в ней (без учета кратковременного тока заряда емкости , рис. 7.1, в) изменяется во времени как:

, (7.5)

где .

При этом изменяется и сопротивление изоляции

. (7.6)

Пределы и скорость изменения определяется параметрами обоих слоев изоляции. Поэтому зависимость содержит ценную информацию о состоянии изоляции. При сильном увлажнении и загрязнении удельные сопротивления слоев резко падают, а диэлектрические проницаемости увеличиваются, хотя и в значительно меньшей степени. Вследствие этого сопротивление изоляции и постоянная времени уменьшаются. Из-за различной способности материалов поглощать вла­гу увлажнение изоляции может привести к неодинаковому изменению сопротивлений слоев.

Указанные особенности изменения зависимости при увлажнении используют для оценки состояния изоляции оборудования высокого напряжения. Принято измерять сопротивление изоляции через 15 и 60 с после подачи напряжения, соответственно и . Заклю­чение о качестве изоляции делается по значениям и коэффициен­та абсорбции .

Для изоляции в нормальном состоянии характерны высокие зна­чения и . В случае увлажнения изоляции значение резко падает, а значение приближается к 1,0.

Из схем замещения на рис. 7.1 следует, что емкость неоднород­ного диэлектрика зависит от частоты , как:

. (7.7)

Характерный вид этой зависимости представлен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Зависимость емкости неоднородной изоляции от частоты

Значение неоднородной изоляции определяется, как это сле­дует из (7.2), емкостями и сопротивлениями слоев, которые, в свою очередь, зависят от степени увлажнения и температуры. Следовательно, по характеру частотной характеристики можно судить о состоя­нии изоляции.

На практике с помощью прибора контроля влажности ПКВ изме­ряют емкости при частотах 2 и 50 Гц, соответственно и , а с помощью прибора ЕВ–3 по методу "емкость-время" измеряют значения и . О состоянии изоляции можно судить по отношениям и . Например, для изоляции силовых трансформаторов в нормальном состоянии допустимые значения составляют и при температуре 20С.

У прощенная схема прибора ПКВ, работающего по принципу «ем­кость-частота», показана на рис. 7.4, а.

Рис. 7.4. Упрощенные схемы приборов ПКВ (а) и ЕВ (б)

Переключатель периодически с частотой 2 или 50 Гц подклю­чает испытуемую изоляцию к источнику постоянного напряжения (при этом заряжается), а затем к цепи с гальванометром ( разряжается). Средний ток, измеряемый гальванометром, равен , где – частота зарядки-разрядки . Измерения производятся при частотах переключения 2 и 50 Гц, поэтому .

Схема прибора ЕВ, использующего метод «емкость-время», представлена на рис 7.4, б. Емкость заряжается около 1 мин от источника стабилизированного напряжения . Затем, если измеряется емкость , переключатель на 5÷10 мс подключает емкость к эталонному конденсатору . 3а это время емкость успевает воспринять только за­ряд геометрической емкости изоляции. Емкость выбирается такой, чтобы , тогда напряжение на ней получается пропорциональным :

.

Напряжение измеряется с помощью электронного вольтметра , имеющего большое входное сопротивление.

Для измерения испытуемая изоляция подключается на 1 мин к источнику. Затем отключается и на время 1÷2 мс закорачивается переключателем , чтобы разрядить только геометрическую емкость. После этого переключателем емкость соединяется с эталонным конденсатором на время около 1 с, который заряжается теперь от . Напряжения на получается пропорциональным .