Кр4-2

30)Описать характер изменения электропроводности

сухого диэлектрика при изменении температуры

Направленное движение ионов (дрейф) осуществляется

этом случае (11.16) принимает вид:

31)Описать характер изменения электропроводности (проводимости) пористых увлажненных диэлектриков при изменении температуры

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность. На участке АВ величина сопротивления снижается за счет изменения степени диссоциации молекул воды и молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СD происходит диссоциация молекул диэлектрика на ионы.

32)Описать характер изменения электропроводности (проводимости) непористого примесного диэлектрика при изменении температуры Во всём диапазоне температур (вплоть до начала термического разложения)

электропроводность монотонно возрастает с

II область – ослабевают силы межмолекулярного взаимодействия, диполи приобретают некоторую свободу, вклад дипольной поляриз. все больше.

III область – возрастает интенсивность хаотического теплового движения молекул, тепловая эн-я дезориентирует диполи, разбрасывает, вклад дипольной поляриз. все меньше.

35) Описать виды диэлектрических потерь. Дать определение диэлектрических потерь.

Определение: Диэлектрические потери — это энергия электромагнитного поля, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля, которая вызывает нагрев диэлектрика.

Потери наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении (в последнем случае — за счёт сквозного тока).

Потери на сквозную электропроводимость — наблюдаются во всех диэлектриках, обусловлены протеканием сквозного тока (током утечки). Выделяются джоулево тепло.

Потери на медленные виды поляризации (релаксационные потери) — проявляются в полярных диэлектриках в переменных полях1/ , когда время релаксации сравнимо с периодом поля . Энергия тратится на преодоление вязкого трения при повороте диполей.

Потери на неоднородность структуры (миграционные) — характерны для композиционных материалов, диэлектриков с проводящими включениями, увлажнённых диэлектриков. Связаны с перераспределением зарядов на границах раздела сред и возникновением микротоков.

Ионизационные потери — возникают в газовых включениях (порах) твёрдых диэлектриков при напряжении выше порога ионизации. Происходят частичные разряды, вызывающие ионизацию газа. Резонансные потери — наблюдаются во всех диэлектриках, когда частота внешнего поля совпадает с собственными частотами колебаний электронов (оптический диапазон) или ионов (инфракрасный диапазон). Связаны с поглощением света.

36) Диэлектрические потери на сквозную электропроводимость (зависимость tgδ от частоты и температуры).

Диэлектрические потери на сквозную

разным наклоном:

При низких и средних температурах — наклон меньше

(энергия активации мала). Это область примесной проводимости, где носителями являются слабо связанные ионы примесей.

При высоких температурах — наклон становится больше

(энергия активации велика). Это область собственной проводимости, где начинают участвовать ионы основного вещества (кристаллической решётки или собственные молекулы).

Переход (излом на графике) между примесной и собственной проводимостью происходит тем при более низкой температуре, чем выше концентрация примесей.

33)Зависимость относительной диэл. проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков (электронная и ионная поляризации; объяснить приведенную зависимость)

Электронная поляризация – смещение электронных оболочек относительно ядра атома.ε описывает электрические свойства единицы объема вещества; ε незначительно уменьшается, т.к. происходит термическое расширение вещества, уменьшается число поляризованных частиц в единице объема.

Ионная поляризация – смещение связанных ионов из положений равновесия. ε увеличивается, т.к. происходит ослабление упругих сил в ионном диэлектрике и увеличивается амплитуда колебаний иона (ионы удаляются друг от друга).

34) Зависимость относительной диэл. проницаемости от температуры для полярных диэлектриков (дипольнорелаксационная поляризация; объяснить приведенные зависимости)

I область – реализуется только электронная поляризация, за счет термич. расширения уменьшается, диполи не принимают участие, т.к. сил эл. поля не хватает, чтобы диполи ориентир. вслед за полем

слабозакрепленных ионов из узлов решетки электро- и

т. д.

37) Диэлектрические потери на медленные виды поляризации.

Диэлектрические потери на медленные виды поляризации

проявляются в полярных диэлектриках и только в переменных

изменения эл. поля.

важна для специалистов, работающих с изоляционными системами.

43) Описать характер изменения tgδ неполярного

38) Диэлектрические потери на неоднородность

структуры Диэлектрические потери на неоднородность структуры

характерны для композиционных диэлектриков и диэлектриков с примесями (в том числе и проводящими): гетинакс, текстолит, слюдопласты, керамика, компаунды, пропитанные материалы и т.д.

Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в проводящих включениях и их накоплением

дипольной, возникает интервал времен релаксации, что приводит к увеличению частотного интервала миграционных потерь. Причина: неодинаковые свойства основной среды и проводящих включений диэлектрика, неодинаковая форма и ориентация включений. С ростом удельная

проводимость растет экспоненциально, поэтому частота релаксации и максимума миграционных потерь повышается с ростом температуры.

39) Резонансные диэлектрические потери. Резонансные диэлектрические потери. Наблюдаются во

всех диэлектриках. Происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота

электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

диэлектрика при изменении температуры.

Диэлектрические потери в полярных диэлектриках

неполярного (НП) жидкого диэлектрика:

Зависимость tgδ от T

I область – у П и НП диэлектриков tgδ увеличивается,

т.к. велики силы межмолекулярного взаимодействия (вязкость велика), не достаточно тепловой энергии, чтобы молекулы успевали ориентироваться вслед за полем; только электронная поляризация.

II область – у П диэлектрика, кроме электронной поляризации, еще релаксационная поляризация, tgδ увеличивается сильнее, силы еще

высоки (вязкость снижается), тепловая энергия не так высока, эл. полю необходимо затратить больше энергии, чтобы дипольные молекулы сориентировались вслед за полем; потери на «трение» в вязкой среде.

III область – ослаблены силы межмолекулярного взаимодействия (вязкость мала), достаточно тепловой энергии, чтобы дипольные молекулы успевали ориентироваться вслед за полем без

«трения»; *f* колебаний молекул совпадает

с *f* поля; tgδ уменьшается, т.к. силовым является тепловое поле, а эл. лишь указывает направление ориентации без затрат энергии.

IV область – область высоких T, только электронная поляризация, т.к. резко возрастает активная составляющая тока Iа, П диэлектрик приближается к НП диэлектрику.

Зависимость tgδ от f

I область – tgδ уменьшается, т.к. за полупериод

(запаздывание), Iа возрастает.

III область – П молекулы не принимают участия в

поляризации (перестают реагировать на изменение эл. поля), П диэлектрик приближается к НП диэлектрику.

44)Описать характер изменения tgδ неполярного диэлектрика при изменении частоты приложенного электрического поля.

СМ № 43

45)Описать характер изменения tgδ полярного диэлектрика при изменении температуры.

СМ № 43

46)Описать характер изменения tgδ полярного диэлектрика при изменении частоты приложенного

разряды могут разрушить диэлектрик. Если

напряжение

начала

ионизации ион приближается к раб, изоляция

состарилась, нужен осмотр, ремонт.

В кабельных ЛЭП проводят испытание систем для анализа ион.

41)Диэлектрические потери в жидкостях.

Характер диэлектрических потерь в жидких диэлектриках определяется их полярностью. В неполярных жидкостях (например, трансформаторное масло, бензол) потери обусловлены толькоtg сквозной10−4

электропроводностью. мал ( ) и растёт экспоненциально с температурой из-за увеличения проводимости. На высоких частотах эти потери становятся незначительными. В полярных жидкостях (например, касторовое масло, спирты) потери складываются из двух составляющих потери на сквозную электропроводность - релаксационные потери, обусловленные дипольнорелаксационной поляризацией.

В зависимости от условий эксплуатации (повышение температуры , частоты ) потери на дипольную релаксацию могут доминировать. В технически чистых жидкостях (содержащих примеси, влагу) потери возрастают из-за миграционной поляризации и повышенной проводимости, обусловленной диссоциацией примесей.

42) Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.

Неполярные твёрдые диэлектрики (полиэтилен, парафин, сера,

кварц) потери определяютсяtg в основном сквозной10−4 электропроводностью. очень мал ( ) во всём диапазоне частот (50 Гц – 10¹¹ Гц), если отсутствуют примеси. Зависимость от температуры слабая до начала термической деструкции.

Полярные однородные твёрдые диэлектрики (целлюлоза,

некоторые смолы, полярные полимеры). Наблюдаются заметные потери, связанные с медленными видами поляризации. Неоднородные твёрдые диэлектрики. Возможны все остальные виды потерь: миграционные (на границах раздела фаз), ионизационные (в порах), резонансные (в кристалл. фаз).

электрического поля.

СМ № 44

47)Какие существуют виды пробоя диэлектриков? Основные виды пробоя:

электрический, тепловой, электрохимический.

Электрический пробой – пробой, обусловленный ударной ионизацией с разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием эл. поля. Тепловой пробой – пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия диэлектрика, вследствие диэлектрических потерь. Образование в диэлектрике электропроводящего канала под действием электрического поля называют пробоем.

Пробой может быть полным, неполным, частичным, поверхностным. Не весь образец диэлектрика, на который подано напряжение, перейдет в состояние высокой проводимости, а только узкий канал, направленный от электрода к электроду.

Электрохимический пробой – пробой, обусловленный химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля.

Полный пробой – если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их.

Неполный пробой – если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов.

Частичный пробой – если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. Поверхностный пробой – пробой по поверхности (в газе или в жидкости) у твердых диэлектриков.

наблюдается электрический вид пробоя. Пробой газа зависит также от степени однородности электрического поля. В результате процессов ударной ионизации концентрация заряженных частиц резко возрастает. При достаточно большой концентрации плотность тока достигает высоких значений и обеспечивает практически КЗ между электродами – наступает электрический пробой. Внешне это проявляется в виде искры или сплошной дуги между электродами.

53) Пробой жидких диэлектриков с твердыми

49) Описать лавинный пробой в газах.

Лавинный механизм пробоя газа – ударная ионизация

набрал достаточно энергии, чтобы выбить электрон из нейтральной молекулы, выбитые электроны пошли дальше выбивать из молекул другие электроны и т.д., образовалась лавина; когда лавина достигнет другого электрода - пробой.

Образовался проводящий канал – система отключилась, сработала защита, если повторное напряжение будет подано через сутки – пробой произойдет при такой же величине U. Если повторное

напряжение будет подано через несколько минут – пробой произойдет при меньшем U.

Это связано с тем, что когда электрон столкнется с ионом,

произойдет рекомбинация. Через сутки — все электроны и ионы прорекомбинируют, через несколько минут — останутся нерекомбинированные электроны и ионы.

Схематическая картина искажения электрического поля в промежутке между электродами0 , создаваемого лавиной — напряженность неискаженного поля. Реализуется в постоянных эл. полях, переменных эл. полях невысокой частоты (50 Гц).

50)Описать лавинно-стриммерный пробой в газах

Лавинно-стримерный механизм пробоя газа — совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа.

Распространение стримера Стример — скопление ионизованных частиц, намного

превосходящее лавину по степени ионизации. Одновременно с ростом стримера, направленного к аноду, образуется лавинный поток положительно заряженных частиц, направленный к катоду.

Схема возникновения и развития положительного стримера.

примесями (теория А.Ф. Вальтера)

Примерно то же самое, что и для жидких примесей. Если включить повторное напряжение через несколько минут (10 мин) – пробой произойдет при меньшем напряжении (за счет образования продуктов разложения). Органика частично сгорит – черный дым (сажа – продукт сгорания), твердых частиц будет больше. Лавинно-стримерный пробой не может быть – расстояние мало, квант энергии не сможет распространиться, т.к. жидкости не прозрачны.

54) Пробой твердого диэлектрика

Пробой твердого диэлектрика — это явление образования проводящего канала (прокола, проплавленного или прожженного отверстия) в толще твердого электроизоляционного материала под действием электрического поля, превышающего критическое значение.

Основные особенности пробоя твердых диэлектриков: Необратимость – после пробоя в твердом диэлектрике остается след в виде пробитого отверстия (отсюда и название «пробой»), прожженного или проплавленного канала. Восстановление первоначальных свойств невозможно. Разрушение структуры – пробой приводит к необратимому разрушению материала: расплавление, обугливание, растрескивание. Связь с временем – при длительном воздействии электрического поля высокой напряженности происходит электрическое старение изоляции, в результате чего пробивное

напряжение ПР снижается. Кривую зависимости ПР от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Электрический пробой – обусловлен ударной

Тепловой пробой – возникает, когда количество тепла,

Электрохимический пробой – обусловлен химическими процессами (окисление, разрыв связей, образование кислот, щелочей, озона) под действием поля, особенно при длительном приложении напряжения. Приводит к старению изоляции. Характеризуется временем жизни изоляции.

Ионизационный пробой – характерен для диэлектриков с газовыми включениями (порами). Обусловлен частичными разрядами в газовых порах, которые

содержащих примеси. Теория теплового пробоя связывает пробой технических жидких диэлектриков с частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, приводящих к образованию газового мостика между электродами.

В жидкостях может наблюдаться как тепловой, так и электрический пробой.

Электрический пробой жидких диэлектриков наиболее вероятен в предельно очищенных жидкостях и может быть рассмотрен так же, как и в газах. Но в жидкостях, за счет большей плотности, резко уменьшается длина свободного пробега λ электронов. Это приводит к существенному повышению электрической прочности пр по сравнению с

газами. На электрическую прочность жидких диэлектриков резко влияют так называемые твердые и жидкие примеси

52) Пробой жидкого диэлектрика с эмульгированной влагой (теория Геманта)

Критерий Геманта - пробой происходит, когда межэлектродное пространство перекрыто каплями на 60– 70%.

Частицы поляризуются, втягиваются в промежуток между электродами, образуется мост (обладает более высокой проводимостью).

Если частицы перекрывают промежуток на 60-70% - локальный разогрев жидкости, тепловой пробой. Если включить повторное напряжение через несколько минут (10 мин) – пробой произойдет при большем напряжении U (за счет подсушки).

Температура в начале высокая, жидкость испаряется, происходит самоочистка жидкости, нужно больше капелек, а их меньше из-за высокой .

вызывают ионизацию газа, образование озона,

ускоренных ионов, выделение тепла и, в итоге, разрушение основного диэлектрика.

электродами), м.

55)Механизмы пробоя твердых диэлектриков (Смотреть 54)

56)Электрический и тепловой пробой в твердых диэлектриках (смотреть 54, 57-58)

57)Описать электрический пробой твердых диэлектриков

Обусловлен ударной ионизацией или разрывом

частота приложенного напряжения, форма и размеры образца.

58) Описать электротепловой пробой диэлектриков Тепловой пробой

возникает, когда количество тепла, выделенного в диэлектрике за счет диэлектрических потерь,

превышает количество рассеиваемого тепла.

Нарушение теплового равновесия ведет к разогреву материала, расплавлению, растрескиванию, обугливанию и к разрушению диэлектрика. Развитие процессов