Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.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:
(1.25)
42
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 тарельча-
тых 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
.tgδcos
2
2
a p
pp
ppp
pw
bU
bY
bgYU
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 С
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
pp
,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:
Тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика определяется по фор-
муле:
, получаем уравнение, свя-
р
. (1.29)
, (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