3.6. Электропроводность твердых диэлектриков.

Электропроводность твердых диэлектриков обуславливается перемещением ионов как самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей.

Для твердых неполярных диэлектриков молекулярного строения электропроводность связана только с наличием в них ионогенных примесей. В полярных диэлектриках условия образования ионов более благоприятные, чем в неполярных, поэтому они имеют более низкое удельное сопротивление. Величина удельного сопротивления полярных диэлектриков тем ниже, чем выше полярность молекул и чем выше температура.

Удельная электропроводность твердых диэлектриков в области слабых электрических полей не зависит от напряженности поля, что соответствует выполнению закона Ома. Однако, в области сильных электрических полей наблюдается отклонение от закона Ома. В этой области электропроводность диэлектрика резко возрастает за счет появления режима электронной проводимости. При дальнейшем увеличении напряжения возникает пробой.

Удельная поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги и загрязнений поверхности, что увеличивает ионную составляющую проводимости. С увеличением полярности диэлектрика и влажности воздуха, поверхностная проводимость растет значительно быстрее, чем объемная.

Тема 4. Диэлектрические потери.

4.1. Определение и основные понятия

Диэлектрическими потерями P(Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в единицу времени. Эта энергия переходит в тепло и диэлектрик нагревается.

При недопустимо высоких потерях изоляция может нагреваться до температур, приводящих к тепловому разрушению.

Д

Рис.4.1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями

иэлектрические потери электроизоляционных материалов характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерьtg δ, гдеδ– угол, дополняющий до 90 град угол сдвига фаз между током и напряжением в схеме замещения диэлектрика, рис.4.1.

δ = 90 - φ

Величина tg δявляется важной характеристикой диэлектриков. Чем большеtg δ, тем более высокими будут диэлектрические потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриковtg δ имеет значение в пределах 0,001 – 0,03.

Диэлектрические потери могут иметь место как при постоянном, так и при переменном напряжении. При постоянном напряжении потери обусловлены токами сквозной проводимости. Величина диэлектрических потерь в этом случае обратно пропорциональна значениям удельного объемного и поверхностного сопротивления диэлектрика

При переменном напряжении диэлектрические потери возникают как под действием тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации. Деформационные виды поляризации не сопровождаются дополнительными потерями.

В сильных электрических полях возникают также ионизационные потери.

4.2. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями.

Д

Рис.4.2. Последовательная эквивалентная схема и соответствующая ей векторная диаграмма напряжений.

ля изучения диэлектрических потерь какого-либо диэлектрика, необходимо рассмотреть конденсатор с этим материалом в цепи переменного напряжения. Реальный конденсатор имеет некоторую емкостьC, в нем рассеивается некоторая мощностьР, а угол сдвига фаз между током и напряжением равняетсяφ. Эквивалентная схема реального конденсатора будет содержать идеальный конденсатор, и активное сопротивление, включенное параллельно или последовательно с конденсатором. По этому признаку рассматривают два вида эквивалентной схемы: параллельную и последовательную схемы. Параметры этих эквивалентных схем должны быть выбраны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности потерь Р, а ток опережал бы напряжение на уголφ.

Последовательная схема замещения диэлектрика изображена на рис. 4.2.

Активная составляющая напряжения Uaсовпадает по фазе с током, реактивная составляющая напряженияUrотстает от тока на угол 90 град.

Если напряжения в треугольник напряжений разделить на модуль вектора тока I, то получим треугольник сопротивлений, 3.2, в. Из треугольника сопротивлений получаем

Величина рассеиваемой мощности для последовательной схемы замещения:

(1)

Параллельная схема замещения диэлектрика и векторная диаграмма токов в ней изображены на рис. 4.3.

И

Рис.4.3. Параллельная схема замещения диэлектрика и векторная диаграмма токов в ней

з треугольника токов определим выражение дляtg δ.

(2)

Для параллельной схемы замещения величина рассеиваемой мощности равна

(3)

Выражения для рассеиваемой мощности согласно формулам (1) и (3) не совпадают. Это связано с тем, что эквивалентные схемы вводятся условно, не объясняя полностью механизма диэлектрических потерь. Так как рассеиваемая в диэлектрике мощность не может зависеть от выбранной схемы замещения, то различаться будут параметры разных схем замещения. Емкости и активные сопротивления параллельной и последовательной схем замещения связаны между собой выражениями:

Для высококачественных диэлектриков квадрат тангенса угла диэлектрических потерь пренебрежимо мал по сравнению с единицей и параметры схем замещения совпадают. Однако для случая диэлектриков с высоким значением tg δ параметры схемы замещения становятся зависящими от выбора того или иного типа схемы замещения. А вот величинаtg δ для диэлектрика от выбранной схемы замещения не зависит. Но этот показатель зависит от природы материала, частоты приложенного напряжения и температуры окружающей среды.

Таким образом, следует понимать, что схема замещения диэлектрика является нелинейной, параметры ее элементов существенно зависят от температуры и частоты приложенного напряжения.

Из формулы (2) следует, что рассеиваемая в диэлектрике мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения и его частоте, а также зависит от диэлектрической проницаемости, определяющей емкость диэлектрика, и tg δ материала. Диэлектрические потери существенно возрастают для диэлектриков, работающих в установках высокого напряжения или повышенной частоты. Эти потери вызывают дополнительный нагрев изоляции, ограничивая тем самым допустимые режимы нагрузки оборудования по току. Вспомним классы нагревостойкости оборудования.