Классификация диэлектриков по виду поляризации

1. Диэлектрики, которые обладают только электронной поляризацией:

- неполярные и слабополярные газы и жидкости (водород, бензол и др.);

- неполярные и слабополярные твердые материалы в кристаллическом и аморфном состояниях (сера, полистирол, парафин).

2. Диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями:

- дипольные материалы органического происхождения, которые находятся в полужидком состоянии или в твердом, например, масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы.

3. Диэлектрики, которые обладают электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями.

Внутри этой группы можно выделить две подгруппы:

- материалы, которые обладают электронной и ионной поляризациями. Сюда относятся вещества с плотной упаковкой ионов в кристаллической решетке. Например, корунд, слюда, кварц, поваренная соль и т.д.

- вещества, которые обладают электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями. К ним относятся материалы, которые содержат стекловидную фазу (фарфор, микалекс), неорганические стекла, а также материалы с неплотной упаковкой частиц в кристаллической решетке.

4. Сегнетоэлектрики – материалы, обладающие электронной, ионной, электронно-ионно-релаксационной и спонтанной поляризациями. Например, сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆·4H₂O), титанат бария (BaTiO₃), фосфорнокислый калий (KH₂PO₄) и др.

Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения упруго связанных зарядов создают токи смещения в диэлектриках. При электронной и ионной поляризациях токи смещения столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения замедленных видов поляризации, называются абсорбционными токами.

При постоянном напряжении токи смещения и абсорбции протекают только в момент коммутации цепи (включение и отключение напряжения), а при переменном напряжении эти токи присутствуют в течение всего времени нахождения материала под действием электрического поля.

Ток смещения имеет чисто реактивный (емкостный) характер и не нагревает диэлектрик. Ток смещения I_см опережает приложенное напряжение U на 90.

Рисунок 10

Ток абсорбции имеет активно-емкостный характер. Появление этого тока приводит к нагреву диэлектрика за счет того, что он имеет активную составляющую. Ток абсорбции I_абс опережает приложенное напряжение U на угол .

Рисунок 11

После окончания переходного процесса токи смещения и абсорбции затухают и через диэлектрик протекает сквозной ток утечки. Принято считать, что токи смещения затухают в среднем за время до 15 с, а токи абсорбции за время до 60 с. Сквозной ток утечки через диэлектрик носит чисто активный характер (угол сдвига фаз между сквозным током утечки I_ут и приложенным напряжением U равняется 0) и нагревает диэлектрик.

Рисунок 12

Таким образом, сквозной ток утечки через диэлектрик состоит из суммы токов переходного процесса (смещения и абсорбции) и сквозного тока через диэлектрик, протекающего через диэлектрик после завершения переходного процесса:

   .

Зависимость сквозного тока утечки через диэлектрик в функции времени выглядит следующим образом.

Рисунок 13

При определении сопротивления изоляции пользуются несколькими методами: прямым и косвенным.

Косвенный метод – метод амперметра и вольтметра. Измеряют ток через 60 секунд с момента коммутации цепи и напряжение, а затем сопротивление изоляции определяют из закона Ома

 .

Прямой метод – измерение сопротивления изоляции сквозному току через диэлектрик омметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10⁶ Ом), мегаомметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10¹⁰ Ом) или тераомметром (верхнее значение измеряемого сопротивления до 10¹⁴ Ом). Наибольшее распространение при измерении R_из получили мегаомметры, предел измерения которых до 10⁸-10¹⁰ Ом, а напряжение на разомкнутых зажимах равно 100-2500 В в зависимости от модификации прибора.

Как правило, электрическое сопротивление изоляции R_из измеряется на выпрямленном токе. Начальное значение емкостного тока смещения I_см зависит от приложенного напряжения и мощности источника питания. Ток абсорбции I_абс обусловлен перераспределением напряжения между разнородными слоями электрической изоляции в процессе ее заряда и разряда. Начальный ток абсорбции определяется значением приложенного напряжения, размерами и составом электроизоляционной конструкции, а также температурой, при которой производится измерение, и не зависит от загрязнения и степени увлажнения (кривая его затухания близка к гиперболе, см. рис. 13). Сквозной ток утечки через диэлектрик I_ут характеризует качество электроизоляционной конструкции и ее состояние (загрязнение, степень увлажнения, наличие механических повреждений и последствий старения, температуру).

Поскольку ток абсорбции не зависит от степени увлажнения электроизоляционной конструкции, а его зависимость от температуры, размеров и конструкции изоляции примерно такая же, как и сквозного тока утечки через диэлектрик, то отношение электрического сопротивления R₆₀, измеренного после затухания I_см и I_абс, к значению R₁₅, измеренного после затухания I_см, характеризует степень увлажнения электрической изоляции и называется коэффициентом абсорбции:

,

где R₆₀ – электрическое сопротивление, измеренное через 60 с после приложения напряжения;

R₁₅ – то же, измеренное через 15 с.

У сухой электрической изоляции значение k_абс близко к 1, а для увлажненной изоляции оно существенно возрастает и особенно зависит от повышения температуры окружающей среды. Если по результатам испытаний и проверок окажется, что электрическая изоляция электрооборудования увлажнена, необходимо выполнить ее сушку и последующие испытания во избежание пробоя и выхода ее из строя.

Если электрическое сопротивление изоляции R_из измерять на переменном напряжении, то активная составляющая тока абсорбции I_абс.а (см. рис. 11) будет незатухающей, что обусловлено не устанавливающимися процессами поляризации на переменном напряжении и приведет к завышению значения сквозного тока утечки через диэлектрик и, как следствие, к занижению измеренного значения R_из по сравнению с истинным значением.

Для твердых электроизоляционных материалов следует различать объемную и поверхностную проводимости.

Для их сравнительной оценки у разных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления и удельного поверхностного сопротивления .

В системе СИ удельное объемное сопротивление равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из изоляционного материала и умноженному на один метр. При этом считается, что ток протекает от одной грани куба к противоположной.

Удельное поверхностное сопротивление – сопротивление, равное сопротивлению квадрата любых размеров, выделенного на поверхности материала. В этом случае ток в квадрате протекает от одной стороны квадрата к противоположной.

Если на плоский образец диэлектрика действует однородное поле, то значения и определяются по формулам:

 , ;

 , ,

где R_V – объемное сопротивление образца;

– площадь электрода;

– толщина диэлектрика или расстояние между электродами;

R_s – поверхностное сопротивление образца;

– ширина электрода;

– расстояние между электродами.

С течением времени ток через твердые или жидкие диэлектрики может увеличиваться или уменьшаться.

Рисунок 14

1 – сопротивление изоляции уменьшается;

2 – сопротивление изоляции увеличивается.

Увеличение тока со временем говорит о том, что в процессе поляризации диэлектрика участвуют заряды, являющиеся структурными элементами его самого, что приводит к снижению сопротивления изоляции, увеличению разогрева диэлектрика, т.е. к его электрическому старению, что в дальнейшем может привести к пробою.

Уменьшение тока с течением времени связано с электрической очисткой изоляционного материала, т.е. любой диэлектрик содержит примеси, которые под действием напряжения диссоциируются на разноименно заряженные ионы, выносятся на электроды (анод и катод), где разряжаются. Это приводит к увеличению сопротивления изоляции и позволяет получать высококачественные изоляционные материалы.