Электропроводность твердых диэлектриков
Твердые диэлектрики бывают полярными и неполярными. Это связано со строением их молекул.
У полярных твердых диэлектриков электропроводность носит чисто ионный характер, причем при высоких температурах, воздействующих на диэлектрик, внутри материала будет наблюдаться перемещение ионов посторонних примесей, а при еще большем увеличении температуры внутри материала будут перемещаться слабозакрепленные ионы данного материала.
Неполярные диэлектрики обладают электропроводностью, обусловленной наличием свободных электронов.
Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков
Примеси, которые попадают на поверхность твердых диэлектриков, существенно понижают их удельное поверхностное сопротивление.
Наиболее вредной из всех существующих примесей является вода. Достаточно небольшого количества влаги, чтобы была образована водяная адсорбированная пленка на поверхности твердого диэлектрического материала.
Приведем зависимость удельного поверхностного сопротивления s некоторых твердых диэлектриков в функции относительной влажности.
Рисунок 16
1 – парафин (неполярные не смачиваемые диэлектрики);
2 – воск (полярные смачиваемые диэлектрики);
3 – щелочные стекла (частично растворимые твердые материалы);
4 – поролон, фенопласт (пористые материалы).
Наиболее существенно s снижается при достижении относительной влажности отн значений 70 – 80 % .
Чтобы не допустить резкого уменьшения s применяется прокаливание твердых диэлектриков при высоких температурах (600-700 0С), покрытие материалов электроизоляционными кремнийорганическими лаками, а также продолжительное кипячение в дистилированной воде. Если твердые диэлектрические материалы не содержат открытую пористость, применяется их промывка растворителями, водой и т.п.
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери – это мощность, рассеиваемая в диэлектрике и приводящая к его нагреву.
В качестве параметра, определяющего степень нагревания изоляции, можно было бы использовать удельную мощность диэлектрических потерь, т.е. мощность, отнесенную к единице объема. Однако в связи со сложной конфигурацией изоляционных материалов не удается точно вычислить их объем, поэтому таким параметром не пользуются.
Для определения качества изоляции пользуются следующими параметрами: углом (тангенсом угла) диэлектрических потерь (tg), относительной диэлектрической проницаемостью r, сопротивлением изоляции Rиз, коэффициентом диэлектрических потерь kд.п, добротностью изоляции Q, пробивным напряжением Uпр, электрической прочностью Eпр, активной мощностью диэлектрических потерь Pд.п.
Перечисленные параметры четко определяются и имеют четкий физический смысл только в синусоидальном электрическом поле и только для линейных диэлектриков.
Угол диэлектрических потерь – это угол, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90.
+=90
Рисунок 17
Активная мощность диэлектрических потерь на постоянном токе определяется по формуле:
,
где - квадрат сквозного тока через изоляцию, умноженный на сопротивление изоляции.
Активная мощность диэлектрических потерь на переменном токе определяется по выражению:
,
где U – приложенное синусоидальное напряжение, В,
I – сквозной переменный ток утечки через изоляцию, А,
- угол сдвига фаз между током и напряжением, ,
- емкостное сопротивление изоляции, Ом,
- угловая частота сети, рад/с,
С – электрическая емкость изоляции, Ф,
- угол диэлектрических потерь, .
Коэффициент диэлектрических потерь равен произведению относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь:
.
Добротность изоляции определим по формуле:
=
,
где Iр – реактивная составляющая тока цепи, А,
Iа – активная составляющая тока цепи, А.
Приведем векторную диаграмму, позволяющую проиллюстрировать характер токов, протекающих в диэлектрическом материале, и определить тангенс угла диэлектрических потерь.
Рисунок 18
Iабс.а – активная составляющая тока абсорбции,
Iск – сквозной ток через диэлектрик,
Iа= Iабс.а+ Iск – активная составляющая сквозного тока утечки через диэлектрик (приводит к нагреву диэлектрика),
Iсм – ток смещения,
Iабс.р – реактивная составляющая тока абсорбции,
Iр= Iабс.р+ Iсм – реактивная составляющая сквозного тока утечки через диэлектрик (не нагревает диэлектрик),
- суммарный ток абсорбции в диэлектрике,
– суммарный сквозной ток утечки через
диэлектрик.
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь можно найти по формуле:
.