Электропроводность диэлектриков

Структура лекции:

3.1 Общие сведения;

3.2 Электропроводность жидких диэлектриков;

3.3 Электропроводность твёрдых диэлектриков.

3.1 Общие сведения

Процессы электропроводности наблюдаются в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках. Электропроводность газов в слабых электрических полях (Е<10 кВ/м) настолько мала, что ей можно пренебречь.

Электропроводность диэлектриков намного порядков меньше, чем металлов, но процессы электропроводности диэлектриков имееют большое практическое значение.

Токи проводимости в диэлектриках являются одной из причин рассеяния энергии в диэлектриках при воздействии электрических полей, т.е. причиной диэлектрических потерь. Эти потери вызывают дополнительный нагрев конструкций высокого напряжения, который может привести к тепловому пробою.

По току или сопротивлению утечки оценивают состояние изоляции оборудования высокого напряжения перед включением его в работу после монтажа, а также в процессе эксплуатации.

Для оборудования установок постоянного тока процессы электропроводности могут являться основой процессов электрического старения изоляции при длительном воздействии постоянного рабочего напряжения. Побочные продукты образующиеся при нейтрализации заряженных частиц, накапливаются у электродов и со временем изменяют структуру изоляции, снижая её электрическую прочность.

При переменном напряжении такого рода процессы старения не имеют место.

3.2. Электропроводность жидких диэлектриков

Ток проводимости жидких диэлектриков обусловлен движением в электрическом поле, ионов и заряженных коллоидных частиц. В первом случае проводимость называют ионной, во втором – молионной или катафоретической. В сильных предпробивных электрических полях в создании токов проводимости могут участвовать и электроны.

Коллоидные частицы – это всегда примеси. Они имеют размеры от 10^-9 до 10^-7 м и постоянно находятся во взвешенном состоянии. Коллоидные частицы по ряду причин обязательно заряжены.

,

где q_к-заряд коллоидной частицы;

_rж-относительная диэлектрическая проницаемость жидкого

диэлектрика;

- электрокинетический потенциал коллоидной частицы по

отношению к жидкости;

R- радиус сферической коллоидной частицы.

В слабых электрических полях плотность тока проводимости прямо пропорциональна напряжённости электрического поля

j=E,

где -удельная проводимость жидкого диэлектрика.

Удельная проводимость жидких диэлектриков зависит от температуры Т. С ростом Т возрастает .

=₀exp[a(Т-Т₀)],

Где ₀ - удельная проводимость при Т=Т₀;

а - температурный коэффициент, значение которого зависит от

свойств жидкого диэлектрика (для трансформаторного

масла а  0,02).

Удельная проводимость большинства жидкостей связана с их вязкостью соотношением, которое называют законом Вальдена:

=const,

где - динамический коэффициент вязкости.

В сильных электрических полях (Е>10⁷ В/м) удельная проводимость  растёт по мере увеличения напряжённости поля Е.

=₀exp[b(E-E₀)],

Где ₀ - удельная проводимость при Е=Е₀;

b – коэффициент.

При длительном приложении напряжения к промежутку заполненному жидким диэлектриком, значительная часть ионов и коллоидных частиц скапливаются у электродов и перестают участвовать в образовании токов проводимости. В результате проводимость может существенно снизится. Это обстоятельство используется для электроочистки жидких диэлектриков.

3.3. Электропроводность твёрдых диэлектриков.

Для твёрдых диэлектриков различают поверхностную и объёмную электропроводность.

Поверхностная электропроводность характеризуется поверхностной проводимостью, которая зависит от свойств самого диэлектрика и состояния его поверхности, наличия на ней загрязнений и адсорбированной влаги.

Объёмная электропроводность – это способность твёрдого диэлектрика проводить в электрическом поле ток.

Электропроводность _v зависит от целого ряда факторов, в первую очередь от состава диэлектрика, температуры, напряжённости электрического поля.

Лекция №4

Поляризация диэлектриков.Диэлектрические потери.

Структура лекции:

4.1 Общие сведения,

4.2 Миграционная поляризация,

4.3 Диэлектрические потери.

4.1 Общие сведения

В электрическом поле диэлектрики поляризуются, приобретая наведённый электрический момент. Этот процесс развивается во времени, в ряде случаев происходит так быстро, что его можно считать мгновенным. Например, когда поляризация молекул заключается в смещении орбит электронов, время установления поляризации составляет 10^-15 с.

Другие виды поляризации развиваются медленнее, время их установления может быть значительно большим, чем при электронной поляризации.

Основные величины, характеризующиестатическое электрическое поле в поляризованном диэлектрике:

Вектор смещения D;

Напряжённость Е;

Поляризация Р.

D=_o E+P=_o_rE, (4.1)

где _o - электрическая постоянная;

_r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Для переменных электрических полей, когда Е=Е_me^jt соотношение (4.1) справедливо только в области низких частот, при которых период Т=2/ намного больше времени установлении поляризации.

В противном случае комплексные величины D и E из-за запаздывания процессов поляризации могут не совпадать по фазе. По этому в общем случае связь между величинами определяется D и E выражением:

D=_o_rE, (4.2)

где - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость;

и - соответственно, действительная и мнимая относительные диэлектрические проницаемости.

4.2 Миграционная поляризация

Миграционная поляризация имеет место в неоднородных диэлектриках и обусловлена движением в электрическом поле свободных зарядов (обычно ионов). Она представляет практический интерес в связи с тем, что наблюдаемая в изоляции конструкций высокого напряжения, в которой обычно используются неоднородные диэлектрические материалы или комбинации диэлектриков.

Для миграционной поляризации характерно накопление на границе слоёв неоднородного диэлектрике заряда абсорбции.

С накоплением заряда абсорбции связаны явления, которые используются для оценки состояния неоднородной изоляции.

4.3 Диэлектрические потери

При воздействии переменного напряжения в диэлектрике возникают токи проводимости и смещения

, (4.3)

где j_пр - плотность тока проводимости ( ),

j_см – плотность тока смещения ( ),

Е – напряжённость поля в диэлектрике,

 - круговая частота (=2f),

Удельная мощность потерь в диэлектрике, т.е. потерь в единице объёма:

, 4,4()

где jа- активная составляющая плотности тока, проходящего через диэлектрик.

Таким образом, любая поляризация, развивающая не мгновенно, а с задержкой по времени, непременно связана с диэлектрическими потерями, даже если отсутствуют токи проводимости.

Активную составляющую плотности тока в выражении (4.4) можно выразить следующим образом:

(4.5)

где j_с –ёмкостная составляющая плотности тока смещения;

 -угол диэлектрических потерь.

Рис. 4.1 Векторная диаграмма токов в диэлектрике

Полная мощность диэлектрических потерь во всём объёме диэлектрика будет определяться выражением

(4.6)

где I_с- ёмкостной ток через диэлектрик;

U- напряжение приложенное к диэлектрику.

Величины С и tgδ , входящие в выражение (4.6), поддаются достаточно точному измерению в одном опыте с помощью моста Шеринга.

Величина - является важнейшей характеристикой диэлектрика.