Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроматериаловедение. Учебник для СПО.pdf
-
V
+
U
h
S
S
A
l
d
V
A
+ -
U
б
a
I
СП
,
cп
I
U
R
V
=
,ρ
h
S
R
VV
=
Рис. 1.11. Схема экспериментального определения объемного
и поверхностного сопротивлений
Электроды располагаются внутри металлических охранных колец, кото-
рые заземляются с целью устранения влияния поверхностных токов на точность измерения.
На металлические электроды подается напряжение постоянного источни-
ка U, после чего делается выдержка в течение 1–3 минут, пока не закончатся
процессы поляризации. По их окончании измеряют ток i
и напряжение U
сп
с помощью микроамперметра и вольтметра (рис.1.11а). Затем рассчитывается
объемное сопротивление в соответствии с уравнением:
(1.21)
2
а по известным площади S электродов, м
ному сопротивлению R
, Ом — удельное сопротивление:
V
где ρ
— удельное объемное сопротивление, Ом·м.
V
, толщине диэлектрика h, м и объем-
(1.22)
41
Для определения поверхностного сопротивления на поверхность диэлек-
,
пов
I
U
R
S
=
,
ρ
d
l
R
SS
=
R
V
R
S
+
-
U
,
из
VS
VS
RR
RR
R
+
⋅
=
трика наклеиваются металлические электроды длиной l на расстоянии d
(рис.1.11б) друг от друга. Затем по методике, аналогичной методике измерения
объемного сопротивления, измеряются ток i
сопротивление R
, Ом рассчитывается по формуле:
S
и напряжение U. Поверхностное
пов
(1.23)
а удельное поверхностное сопротивление с учетом длины электродов l и расстояния между ними d определяется из равенства:
(1.24)
где ρ
— удельное поверхностное сопротивление, Ом.
S
Учитывая наличие двух путей протекания тока под воздействием прило-
женного постоянного напряжения, сопротивление изоляции диэлектрика R
из
равно эквивалентному сопротивлению двух параллельно соединенных сопротивлений R
и RS (рис. 1.12).
V
Рис. 1.12. Схема замещения диэлектрика
для определения сопротивления изоляции
На основании вышеприведенного можно записать, что сопротивление
изоляции диэлектрика определяется из формулы:
42
(1.25)
из уравнения (1.25) следует, что сопротивление изоляции диэлектрика меньше
1
2
a б
наименьшего из сопротивлений R
и RV.
S
Эксплуатация диэлектрика в запыленной и влажной среде сопровождает-
ся образованием пленки влаги и оседанием пыли на его поверхности, что приводит к уменьшению прежде всего поверхностного сопротивления и соответственному уменьшению сопротивления изоляции в целом. Для уменьшения
степени влияния окружающей среды на поверхностное сопротивление поверхность диэлектрика покрывается лаками, затрудняющими образование пленки
влаги, пропитывается различными смолами, компаундами, подвергается тщательной очистке различными методами.
Для увеличения поверхностного сопротивления и устранения возможно-
сти образования пленки влаги на поверхности диэлектрика прибегают к различным конструктивным мерам. Например, изоляторы, предназначенные
для работы на открытом пространстве и внутри помещения, имеют различную
форму (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Изоляторы для наружных (а) и внутренних (б) установок:
2 — тело изолятора из фарфора или стекла
Как видно из рис. 1.13, увеличение поверхностного сопротивления дости-
гается с помощью ребер, позволяющих увеличить длину поверхности изоляторов, по которой протекает поверхностный ток (показан на рисунке стрелками).
Изоляторы, предназначенные для наружных установок, имеют вид тарел-
ки, повернутой вверх дном. Выступающие края вышерасположенных тарельчатых изоляторов защищают от дождя или от выпадающей росы поверхности
изоляторов, расположенных ниже. Таким образом, исключается возможность
возникновения сплошной пленки воды на поверхности изоляторов между электродами, вызывающей уменьшение поверхностного сопротивления.
1 — металлические электроды;
43
1.7. Диэлектрические потери
δ
tgδ
1.7.1. Понятие о диэлектрических потерях.
Основные показатели диэлектрических потерь
Под воздействием электрического поля происходит нагрев диэлектрика,
так как часть энергии электрического поля преобразуется в нем в тепловую
энергию.
Мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии электрического
поля и вызывающая его нагрев, называется диэлектрическими потерями.
Основные показатели, с помощью которых оцениваются диэлектрические
потери, следующие:
– удельные потери — рассеиваемая мощность в единице объема диэлек-
трика, Р
, Вт/м3;
w
– угол диэлектрических потерь
— угол, дополняющий угол сдвига фаз
между током и напряжением диэлектрика до 90° (рис. 1.14);
– тангенс угла диэлектрических потерь
.
Причинами возникновения диэлектрических потерь являются токи сквоз-
ной проводимости; процессы поляризации второй и третьей групп; ионизационные процессы, происходящие в газообразных диэлектриках; неоднородность
структуры диэлектриков. Недопустимо большие диэлектрические потери в сочетании с плохими условиями охлаждения вызывают сильный нагрев диэлектрика и могут привести к тепловому разрушению (обугливанию, растрескиванию и т.д.). Кроме того, могут значительно ухудшиться электрические показатели устройств, в которых используются элементы с диэлектриком
(уменьшение добротности электрических контуров, коэффициента полезного
действия устройств и т.п.).
1.7.2. Схемы замещения диэлектриков
для учета диэлектрических потерь
Для того чтобы отразить процессы, происходящие в диэлектриках
под действием электрического поля, их представляют в виде эквивалентных
схем замещения. Таких схем две: последовательная (рис. 1.14а) и параллельная
(рис. 1.14б).
Схемы замещения (рис. 1.14) эквивалентны реальному диэлектрику, ко-
торый они заменяют, если активные мощности последовательной и параллель-
44
ной цепей равны мощности диэлектрических потерь этого диэлектрика. Уста-
.cosϕ⋅⋅= IUP
w
( )
.
δtg1
tgδ
1
Z
22
2
2
2
2
2
22
2
2
2
a
+
⋅
=
+
⋅
=
+
⋅
=
⋅
=⋅=
S
S
S
S
S
SS
S
S
S
w
X
U
X
R
X
RU
XR
RURU
IUP
S
S
C
X
⋅
=
ω
1
новим связь между параметрами схем замещения и мощностью диэлектрических потерь.
Рис. 1.14. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика
для учета диэлектрических потерь (а — последовательная; б — параллельная)
и векторные диаграммы напряжения в и тока г
Активная мощность схемы замещения вычисляется по формуле:
Выразим эту мощность через параметры схем замещения. Для последова-
тельной схемы замещения:
(1.26)
Учитывая, что
сти диэлектрических потерь для последовательной схемы замещения:
, получаем окончательное уравнение мощно-
45
.
δtg1
tgδω
2
2
+
⋅⋅⋅
=
S
w
CU
P
.
tg
δ
cos
2
2
a p
p
p
p
p
p
p
w
b
U
b
Y
b
gYU
YUUIUP ⋅⋅=
⋅
⋅⋅⋅
=ϕ⋅⋅⋅=⋅=
ω⋅=
pp
Cb
tgδω
2
⋅⋅⋅=
pw
CUP
tgδ
δtg1
tgδω
tgδω
2
2
p
2
+
⋅⋅⋅
=⋅⋅⋅
S
CU
CU
Для параллельной схемы замещения:
(1.27)
Так как реактивная проводимость
, то уравнение мощности
диэлектрических потерь для параллельной схемы замещения преобразуется
к виду:
. (1.28)
Из уравнений (1.27) и (1.28) следует:
– мощность диэлектрических потерь зависит прямо пропорционально
от квадрата напряжения, воздействующего на диэлектрик;
– диэлектрические потери тем больше, чем больше частота электрическо-
го поля, емкость, создаваемая диэлектриком, и тангенс угла диэлектрических
потерь.
Таким образом, из формул (1.27) и (1.28) следует, что по
можно оце-
нить значение диэлектрических потерь, возникающих в диэлектриках различного химического состава и структуры строения при всех прочих неизменных
условиях.
Исходя из эквивалентности обеих схем замещения и реального диэлек-
трика, можно установить соотношения между параметрами последовательной и
параллельной схем замещения. Приравняв правые части уравнений (1.27) и
(1.28), получим равенство:
.
46
Решая его относительно величины емкости Ср, получаем уравнение, свя-
δtg1
2
p
+
=
S
C
C
pp
gtgδ b
X
R
S
S
⋅==
S
S
C
X
⋅
=
ω
1
p
p
1
R
g =
ω
pp
⋅= Cb
p
p
,bg
p
S
S
CR
CR
⋅⋅
=⋅⋅
ω
1
ω
p
( )
222
2
2
p
p
ω
δtg1
ω
1
⋅⋅
⋅+
=
⋅⋅⋅
=
SS
S
SS
CR
R
CCR
R
зывающее между собой значения емкостей в параллельной и последовательной
схемах замещения:
. (1.29)
Тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика определяется по фор-
муле:
, (1.30)
где
схемы замещения;
— активная проводимость параллельной схемы замещения;
замещения.
Подставив в уравнение (1.30) вместо
схем замещения, получим соотношение:
Решаем равенство (1.31) относительно активного сопротивления парал-
— реактивное емкостное сопротивление последовательной
— реактивная емкостная проводимость параллельной схемы
их значения через параметры
. (1.31)
лельной схемы замещения:
.
47
Учитывая, что
SS
CR ⋅⋅= ωtgδ
+=
δtg
1
1
2
p S
RR
01,0tg ≤
δ
tgδ
)(tgδ ff=
, получаем окончательное соотношение:
. (1.32)
В диэлектриках с малым углом диэлектрических потерь (
можно считать, что R
В таких диэлектриках мощность диэлектрических потерь рассчитывается
по одному и тому же уравнению (1.28).
Параметры схем замещения R
жающей среды, частоты переменного электрического поля и ряда других внешних факторов. Поэтому использование значений параметров схем замещения,
определенных для каких-либо конкретных условий, для других условий может
привести к значительным погрешностям в расчетах диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери по физической природе подразделяются на че-
тыре основные группы:
– поляризационные диэлектрические потери;
< RP, CS = CP.
S
, RP, CS, CP зависят от температуры окру-
S
1.7.3. Виды диэлектрических потерь
)
– диэлектрические потери от токов сквозной проводимости;
– ионизационные диэлектрические потери;
– диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры
диэлектрика.
Поляризационные потери возникают в диэлектриках, которым свойствен-
ны дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная и спонтанная поляризации. Как известно, эти виды поляризации сопровождаются рассеянием энергии в виде тепла, выделяемого в диэлектриках. В тем-
пературной зависимости
когда длительность релаксации частиц диэлектрика примерно равна периоду
приложенного к диэлектрику напряжения.
Зависимость
стоте приложенного напряжения. Значение частоты, при которой наблюдается
максимум, зависит от значения температуры. С ростом температуры положение
максимума тангенса угла диэлектрических потерь смещается в область более
наблюдается максимум при такой температуре,
также имеет максимум при определенной ча-
высоких частот.
48
Диэлектрические потери от токов сквозной проводимости возникают
δ
tg
,e
α0t
WW
PP ⋅=
,)(
3
И
UUfAP
W
−⋅=
И
UU ≥
в диэлектриках, имеющих в своем составе примеси проводящего и полупроводящего характера. Фактически этот вид диэлектрических потерь свойственен
всем используемым в технике диэлектрикам. Диэлектрические потери от токов
сквозной проводимости не зависят от частоты поля, а значение
уменьша-
ется с ростом частоты по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери от токов сквозной проводимости возрастают
с ростом температуры по экспоненциальному закону:
(1.33)
где Р
— потери при температуре 0 °С;
W0
α — постоянная материала;
t — температура в градусах Цельсия.
Тангенс угла диэлектрических потерь изменяется в зависимости от тем-
пературы по тому же закону, что и диэлектрические потери.
Ионизационные потери возникают в газообразных диэлектриках при
напряженности электрического поля, равной или большей, чем напряженность
ионизации. Ионизационные потери рассчитываются по формуле:
(1.34)
где A — постоянный коэффициент;
f — частота поля;
U — приложенное напряжение;
U
— напряжение ионизации газа.
И
Формула (1.34) может использоваться только при напряжениях
.
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры
строения, наблюдаются в диэлектриках, состоящих из нескольких компонентов.
Например, конденсаторная бумага состоит из целлюлозы и воздуха, заполняющего поры и капилляры.
Ввиду разнообразия возможных структур и механизмов возникновения
диэлектрических потерь в таких диэлектриках общей формулы расчета потерь
от неоднородности структуры не существует. В каждом отдельном случае потери и тангенс угла диэлектрических потерь необходимо определять экспериментально.
49
1.8. Пробой диэлектриков
h
U
E
пр
пр
=
1.8.1. Понятие пробоя. Основные характеристики пробоя
Важнейшим назначением диэлектриков в технике является применение
их в качестве изоляционных материалов для предотвращения протекания электрического тока по путям, не предусмотренным электрической схемой установки. Такое использование диэлектриков связано с их исключительно малой электропроводностью.
Так, удельная объемная электропроводность этих материалов при ком-
натной температуре не превышает 10
ние соответственно больше 10
8
Ом·м.
-8
См/м, а удельное объемное сопротивле-
Такое значение электропроводности и удельного объемного сопротивле-
ния сохраняется только до определенного напряжения. Превышение этого
напряжения приводит к скачкообразному возрастанию электропроводности и
уменьшению сопротивления диэлектрика.
Потеря диэлектриком изоляционных свойств под воздействием внешнего
электрического поля называется пробоем.
Напряжение, при котором в диэлектрике возникает электрический про-
бой, называется пробивным напряжением.
Пробивное напряжение обозначается U
. Единицей измерения пробивно-
пр
го напряжения в системе СИ является вольт (В). Допускается использовать
в качестве единицы измерения пробивного напряжения киловольт (кВ).
Значение пробивного напряжения зависит от химического состава, струк-
туры строения, толщины диэлектрика и воздействия ряда других факторов.
Другой важнейшей характеристикой диэлектриков, связанной с их способ-
ностью выдерживать воздействие высоких напряжений без потери изоляционных свойств является электрическая прочность (Е
). Под электрической прочно-
пр
стью понимается отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика:
.
Единицей измерения электрической прочности в системе СИ является
В/м. В связи с тем, что использование этой единицы на практике неудобно изза малой толщины изоляции в различных электротехнических установках и
50