Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет

Будівництва і архітектури

Кафедра електротехніки і електроприводу

Реферат

З курсу « Матеріалознавство та елетротехнічні матеріали»

Тема: діелектрики, провідники, напівпровідники та магнітні матеріали.

Виконав:

Студент групи АТП-12

Миколаєнко Є.В.

Перевірив:

Лемешко В.О.

Київ-2011

5) Дайте визначення процесу поляризації і поясніть його фізичну суть. Коротко охарактеризуйте основні види поляризації. Наведіть приклади діалектриків з різними видами поляризації і їх діелектричну проникність.

Поляризація - це процес, що складається в обмеженому зсуві чи орієнтації зв'язаних зарядів у діелектрику при впливі на нього зовнішнього електричного поля. Позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора напруженості поля Е, у зворотному напрямку. Оскільки в глибині діелектрика позитивні і негативні заряди взаємно компенсуються, некомпенсовані електричні заряди залишаються тільки на поверхні діелектрика. Якщо поверхнева щільність цих зарядів дорівнює s, то величина цього некомпенсованого електричного заряду поверхні дорівнює sS.

Таким чином, у випадку однорідного поля поляризація діелектрика дорівнює поверхневої щільності його зарядів.

Якщо збільшувати напруженість електричного поля, то поверхнева щільність електричних зарядів буде також зростати, отже, буде збільшуватися і поляризація діелектрика. Для більшості діелектриків поляризація прямо пропорційна напруженості електричного поля. Такі діелектрики називають лінійними. До них відносять усі застосовувані в сучасній радіоелектроніці електроізоляційні матеріали. У деяких діелектриків, зокрема в сегнетоелектриків, прямої пропорційності між поляризацією і напруженістю електричного поля немає. Такі діелектрики називають нелінійними. Вони останнім часом знаходять усе більш широке застосування, оскільки дозволяють керувати електричними й оптичними властивостями матеріалів шляхом зміни напруженості електричного поля, температури і т.д.

Однією з найважливіших характеристик діелектрика є його відносна діелектрична проникність e.

Основні види поляризації:

1.Електронна поляризація являє собою зсув центра заряду електронної хмари щодо центра позитивно зарядженого ядра під дією зовнішнього електричного поля (рисунок 4.2), зміщенню протидіє кулонівське притягання електронів до ядра. Час встановлення електродної поляризації дуже малий (біля 10-15 с), тому вона практично не залежить від частоти електромагнітного поля, не зв'язана з втратою енергії і не залежить від температури. Електронна поляризація спостерігається у всіх видах діелектриків.

2. Іонна поляризація виникає внаслідок пружного зсуву зв'язаних іонів з положення рівноваги на відстань, менша постійних кристалічних ґрат (рисунок 4.3) З підвищенням температури поляризація зростає, оскільки теплове розширення, видаляючи іони друг від друга, послабляє діючі між ними сили взаємодії Час встановлення іонної поляризації біля 10-13 с. Вона, так само як і електронна, не зв'язана з втратами енергії і не залежить від частоти, аж до частот інфрачервоного діапазону Іонна поляризація характерна для кристалічних діелектриків іонної структури з щільним упакуванням іонів.

3. Дипольно-релаксаційна поляризація полягає в повороті (орієнтації) дипольних молекул у напрямку зовнішнього електричного поля Дипольні молекули, що знаходяться в хаотичному тепловому русі, орієнтуються в напрямку зовнішнього електричного поля, створюючи ефект поляризації діелектрика (рисунок 4.4) При знятті поля поляризація порушується хаотичним тепловим рухом молекул, а поляризація Р спадає по експонентному закону

4. Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабко зв'язаних іонів під дією зовнішнього електричного поля на відстань, що перевищує постійну кристалічних ґрат. При цьому виді поляризації виникають втрати енергії і поляризація помітно підсилюється з підвищенням температури. Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в неорганічних кристалічних діелектриках іонної структури з нещільним упакуванням іонів.

5. Міграційна поляризація обумовлена наявністю в технічних діелектриках провідних і напівпровідних включень, шарів з різною провідністю і т.п. При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні електрони й іони що проводяться і напівпровідникових включень починають переміщатися в межах кожного включення, утворюючи поляризовані області. Процеси встановлення й зняття міграційної поляризації порівняно повільні і можуть продовжуватися секунди, хвилини і навіть години. Цей вид поляризації звичайно можливий лише на низьких частотах.

6. Мимовільна (спонтанна) поляризація, яка властива сегнетоелектрикам, електронно-релаксаційна поляризація й ін.

Класифікація діелектриків по виду поляризації:

1. Неполярні діелектрики. До цієї групи відносять діелектрики, що не містять електричних диполів, здатних до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. Неполярним діелектрикам властива в основному електронна поляризація. Вони застосовуються як високоякісні електроізоляційні матеріали в техніці високих і надвисоких частот. До них відносять полістирол, поліетилен, бензол, повітря й ін.

2. Полярні діелектрики. У цю групу входять діелектрики, що містять електричні диполі, що здатні до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. У полярних діелектриках крім електронної спостерігають і дипольно-релаксаційну поляризацію. Вони мають трохи знижені електричні властивості в порівнянні з неполярними діелектриками і застосовуються як електроізоляційні матеріали в області низьких частот. До них можна віднести полівінілхлорид, епоксидні смоли, лавсан, органічне скло і ін.

3. Діелектрики з іонною структурою. У цю групу входять тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонної і іонно-електронно-релаксаційною поляризаціями. Тут виділяють дві підгрупи матеріалів у залежності від величини втрат електричної енергії, що витрачається на поляризацію:

а) діелектрики з електронним і іонним видами поляризації, при яких втрат електричної енергії практично немає. До них відносять кварц, слюду і ін.;

б) діелектрики з електронним, іонним і релаксаційним видами поляризації, при яких маються істотні втрати електричної енергії. Наприклад, неорганічні стекла, кераміка, мікалекс і ін.

4. Сегнетоелектрики. У цю групу входять матеріали, що володіють насамперед спонтанною поляризацією. До них можна віднести сегнетову сіль, титанат барію (ВаТіОз) і ін.

30) Поясніть, чому тверді діалектрики в електричному полі нагріваються.

Тут основними носіями заряду є електрони. Іони "вморожені" і практично не мають можливості руху, b ~10^-23 м²/(В·с). Утворення вільних носіїв заряду відбувається внаслідок впливу іонізаційних випромінювань і нагрівання. Рекомбінація носіїв заряду у твердих тілах не утруднена. Електропровідність твердих діелектриків визначається наявністю домішок.

Кристалічні тверді тіла привертають увагу своєю симетрією і красою. Найбільш характерною властивістю кристалів є просторова періодичність, тобто регулярність у розташуванні часток, що утворять кристал. Ця регулярність створює так званий далекий порядок. Наявність далекого порядку є істотною особливістю іонних кристалів. Під час відсутності домішок іони кожного, сорту займають у кристалі цілком визначені позиції, причому число таких позицій у точності відповідає числу іонів: немає ні надлишкових, ні відсутніх часток. Сумарні заряди різних сортів іонів - катіонів і аніонів - також у точності рівні по величині, але протилежні за знаком.

Утворюючі кристал іони здійснюють теплові коливання поблизу своїх рівноважних положень. Однак амплітуди таких коливань звичайно невеликі, у всякому разі, набагато менше відстаней між рівноважними положеннями. Розмах коливань збільшується з ростом температури, але сильно зрости не може: коли величина амплітуди складе лише десяті частки від рівноважних відстаней між іонами, кристал просто розплавиться і перестане існувати як тверде тіло. Ясно тому, що багато важливих властивостей кристалів можна зрозуміти, цілком нехтуючи тепловим коливальним рухом іонів що їх утворюють (чи інших часток) і думаючи, що усі вони закріплені в рівноважних положеннях.

Саме в такому ідеалізованому випадку виходить картина абсолютно строгого періодичного розташування часток. У своїй сукупності ці частки утворюють структуру, названу кристалічними ґратками.

55) В чому полягає явище старіння трансформаторного масла? Які фактори прискорюють і сповільнюють старіння?

Трансформаторні масла в процесі експлуатації змінюють свої хімічні та електрофізичні властивості під впливом різних факторів: температури, електричного поля, молекулярного кисню, взаємодії з конструкційними матеріалами електрообладнання (особливо у випадках використання в конструкціях неякісних ізоляційних матеріалів, наприклад лаків, нестійких до впливу масла).

У результаті відбувається потемніння масла, утворюються низько- та високомолекулярні продукти окислення, зростають діелектричні втрати; на певній стадії окислення можливе утворення осаду та випадання шламу.

Сукупність цих змін визначається терміном «старіння».

Переважаючим фактором старіння трансформаторного масла є окислювальне перетворення вуглеводнів, що входять до його складу, під впливом молекулярного кисню.

Швидкість окислення масла, характер продуктів, що утворюються, залежать від хімічного складу масла, ступеня його очищення, умов експлуатації.

На початковій стадії окислення масло поглинає кисень у невеликій кількості і зміни, що відбуваються у цей період, практично не виявляються звичайними методами фізико-хімічного аналізу.

Цей період окислення прийнято називати індукційним. Він приблизно відповідає періоду використання іонолу до концентрації 0,1 % і менше.

Низькомолекулярні органічні кислоти та органічні перекиси, що

утворюються на початковій стадії процесу старіння, розчинні в маслі і мають корозійну активність по відношенню до матеріалів трансформатора.

Продукти окислювальної полімеризації та конденсації нерозчинні в маслі і можуть випадати знього у вигляді шламу (нерозчинного осаду), який, при осадженні на активних частинах, затруднює відведення тепла, викликає руйнування ізоляції.

Домішки, що викликані як старінням масла, так і його забрудненням (вода, полярні речовини, тверді частки, нерозчинні в маслі продукти термоокислювального старіння, метали та їх оксиди, волокна різного походження і т. ін.), знижують експлуатаційні характеристики масла, прискорюють старіння целюлозної ізоляції.

У додатку А наведено перелік показників масла, за зміною яких

рекомендується контролювати ступінь зниження експлуатаційних властивостей масла. Там же відображено взаємозв'язок цих показників із наявністю в маслі продуктів окислення або забруднення.

Засоби і заходи, що запобігають окисленню трансформаторного масла

Якість трансформаторного масла в експлуатації забезпечується

своєчасним контролем у встановленому обсязі та з відповідною періодичністю для кожної групи обладнання згідно з

Разом з цим, збільшення строку служби масла та ізоляції може бути досягнуте за рахунок використання ефективних засобів і заходів захисту масла від окислення.

Основними заходами збереження експлуатаційних властивостей масла є:

- безперервна регенерація запитого в обладнання масла крупнопористими адсорбентами з використанням термосифонних або адсорбційних фільтрів;

- застосування спеціальних засобів захисту масла від окислення (плівкового або азотного);

- правильна експлуатація повітроосушників;

- підтримання необхідної концентрації в маслі антиокислювальної присадки іонол (агідол-1);

- ефективне охолодження масла.

Безперервна регенерація здійснюється природною циркуляцією масла крізь термосифонний фільтр на основі термосифонного ефекту (без примусової циркуляції), а в адсорбційному фільтрі примусовою циркуляцією.

Відповідно до вимог ГОСТ 11677 масляні трансформатори з масою масла більше 1000 кг обладнуються фільтрами: термосифонними у системах охолодження без примусової циркуляції масла (вид М і Д), адсорбційними - при системах охолодження з примусовою циркуляцією масла та фільтрами очищення масла від механічних домішок - для видів систем охолодження ДЦ, НДЦ, Ц, НЦ.

Для безперервної регенерації масел застосовуються крупнопористі синтетичні та природні адсорбенти. Типи сорбентів, вимоги до них, метод сушки та контролю і подані в додатку В.

Для завантаження у фільтри використовується фракція від 2,8 до 7 мм. Перед завантаженням сухий адсорбент треба просіяти для видалення пилу та дрібних фракцій.

Кількість адсорбенту, що завантажується до адсорбційних та

термосифонних фільтрів, залежить від категорії обладнання та кількості залитого в нього масла і повинна становити:

- для трансформаторів потужністю до 630 кВА - не менше 1,25 % від маси залитого масла;

- для трансформаторів з масою масла до 30 т - 1 %;

- для трансформаторів з масою масла більше 30 т - 0,8 %.

Перед введенням у експлуатацію термосифонних та адсорбційних фільтрів необхідно звернути увагу на надійність кріплення фільтруючої сітки на опорній решітці з тим, щоб виключити винесення потоком масла адсорбенту до баку трансформатора. Це особливо стосується трансформаторів з примусовою циркуляцією масла, тому що адсорбент, потрапляючи до масляних каналів обмотки, викликає погіршення охолодження обмотки, її перегріви і, як наслідок, прискорене старіння твердої ізоляції та масла.

Адсорбційні та термосифонні фільтри після збирання і монтажу,

завантажені підготовленим адсорбентом, повинні бути заповнені маслом із маслосистеми трансформатора. Масло подається знизу догори при відкритій повітровипускній пробці фільтра або маслоохолоджувача.

Фільтри трансформаторів з азотним та плівковим захистом повинні заповнюватися маслом під вакуумом за інструкцією заводу-виготовлювача.

Фільтри інших трансформаторів заповнюються маслом без вакууму, але з прийняттям заходів для запобігання попаданню повітря до бака: фільтр потрібно вводити в роботу Після тривалого відстою (не менше 12 год) і періодичного випуску повітря, що виділилося із пор адсорбенту.

Оцінювання працездатності адсорбенту у фільтрах у процесі експлуатації провадиться за даними хімічного аналізу масло. Підвищення кислотного числа, вмісту водорозчинних кислот та тангенсу кута діелектричних втрат при 90 °С масла вказує на втрату активності адсорбенту та необхідність його заміни.

Адсорбент в термосифонних та адсорбційних фільтрах повинен замінюватися у трансформаторах потужністю більше 630 кВА при перевищенні значення одного із таких показників масла:

- кислотне число -0,1 мг КОН/г масла;

- тангенс кута діелектричних втрат при 90 °С відповідної експлуатаційної норми для даного класу обладнання (значення відповідно до таблиці 6.1).

Для трансформаторів потужністю 630 кВА і менше заміна адсорбенту повинна виконуватися при незадовільних характеристиках твердої ізоляції (опору, що вимірюється мегомметром, та тангенсу кута діелектричних втрат, що вимірюється високовольтним мостом змінного струму).

Заміна адсорбенту повинна провадитися також після капітального ремонту трансформатора. У разі виявлення в експлуатаційному маслі трансформаторів та реакторів напругою від 220 до 500 кВ і більше розчинного шламу та при високому значенні тангенса кута діелектричних втрат масла необхідно провести регенерацію цього масла.

Заміна адсорбенту в процесі експлуатації може провадитися без демонтажу фільтра за інструкцією заводу на фільтр. Для цього необхідно перекрити верхній та нижній запірні вентилі, злити масло із фільтра в підготовлену ємкість, а потім вивантажити спрацьований адсорбент. Далі завантаження свіжого адсорбенту проходить відповідно до 6.2.7.

Заміна адсорбенту може провадитися на працюючому обладнанні.

Тривалість ефективної регенерації експлуатаційного масла силікагелем КСКГ в обладнанні (без дефектів) становить не менше п'яти років.

Ефективним засобом захисту масла та ізоляції від зволоження і

окислення в процесі експлуатації є плівковий та азотний захист масла.

Плівковий захист повністю виключає контакт масла з атмосферним повітрям за допомогою гнучкої оболонки, розташованої в розширювачі трансформатора.

Трансформатори з плівковим захистом заливаються дегазованим маслом відповідно до заводської інструкції.

Необхідною умовою ефективності плівкового захисту є надійна герметизація розширювача та гнучкої оболонки.

В експлуатації для оцінки герметичності захисту і його ефективності провадять контроль загального газовмісту масла (значення газовмісту відповідно до таблиці 6.1, показник 7).

Азотний захист виключає контакт масла з атмосферним повітрям і забезпечує в процесі експлуатації наявність азоту в надмасляному просторі розширювача та в еластичних оболонках.

Для запобігання механічним пошкодженням та сонячній радіації оболонки пристрою азотного захисту розміщують в зачинених шафах.

Трансформатори з азотним захистом необхідно заливати дегазованим та азотованим маслом відповідно до заводської інструкції.

Долив трансформатора провадиться також азотованим маслом.

Під час експлуатації трансформаторів з азотним захистом контролюються такі параметри:

- надмірний тиск у системі (повинен становити 290 Па);

- чистота азоту в надмасляному просторі - 1 раз у 6 місяців хроматографічним методом або газоаналізатором ВТІ-2 за ГОСТ 5439,

Осушник азоту заповнюється крупнопористим силікагелем (КСКГ і ШСКГ за ГОСТ 3956), обробленим хлористим кальцієм з вологістю не більше 0,5 % від маси.

Контроль ступеня зволоження - за індикаторним силікагелем.

Повітроосушники застосовуються:

- для осушки від вологи повітря, що поступає до надмасляного простору розширювача трансформаторів із «вільним диханням», де сухе повітря захищає масло, а отже, і тверду ізоляцію трансформаторів від зволоження;

- для осушки повітря, яке попадає до розширювача, де розміщений плівковий захист масла;

- для запобігання зволоженню і забрудненню масла та ізоляції в уводах напругою від 110 ДО 500 кВ негерметичного виконання;

- для запобігання зволоженню масла в резервуарах на масляному

господарстві, де наявність сухого повітря над маслом охороняє резервуар від корозії, а масло - від забруднення іржею.

Розширювачі трансформаторів потужністю 25 кВА і більше обладнуються повітроосушниками з масляними затворами відповідно до ГОСТ 11677.

Як поглинач у повітроосушниках рекомендується застосовувати крупно-пористий силікагель, оброблений хлористим кальцієм.

Для контролю якості осушника у повітроосушнику застосовується силікагель-індикатор ГОСТ 8984.

Вимоги до адсорбентів, їх підготовка та застосування подані в додатку В.

Інгібітори окислення (антиокислювачі) широко застосовуються для захисту від окислення трансформаторних масел.

Усі масла, які виготовляються в СНД у даний час, вміщують антиокислювальну присадку іонол (агідол-1) у кількості від 0,2 % до 0,5 % від маси залежно від марки масла.

У закордонній практиці також широко застосовується присадка іонол. Але деякі марки масел можуть не вміщувати іонолу або мати присадку іншого типу. У цьому разі питання застосування і змішування таких масел повинно вирішуватися з урахуванням положень розділу 4.

Іонол у процесі старіння масла підвищує індукційний період окислення, запобігає утворенню осаду.

Присадка добре розчинна в маслі і практично не вилучається

адсорбентами під час безперервної регенерації.

Як і більшість присадок, іонол ефективно діє в експлуатаційних умовах при інгібіруванні масел достатньо глибокого ступеня очищення.

Під час експлуатації трансформаторного масла іде процес

безперервної витрати іонолу, швидкість якого залежить від температури, концентрації кисню в маслі, конструкційних матеріалів та ін.

У разі зниження концентрації іонолу в експлуатаційному маслі менше 0,1 % від маси масла він починає працювати як проокислювач, сприяючи розвитку процесу окислення. При цьому також можливе утворення шламу, що помітно знижує строк служби твердої ізоляції та веде до необхідності заміни масла в трансформаторі,

У процесі експлуатації необхідно контролювати вміст іонолу і вводити його в масло при зниженні концентрації до 0,1 % від маси масла. Методику

! визначення вмісту антиокислювальної присадки іонол (агідол-1) в маслах наведено в додатку А (А.3.3); засоби її введення до трансформаторного масла наведено в розділі 7.

Кількість іонолу, що вводиться, залежить від марки масла, але не повинна бути менше 0,2 % від маси цього масла.

Уведення іонолу до експлуатаційного масла, в якому утворився шлам або кислотне число якого більше 0,1 мг КОН/г масла, неефективне. Таке масло підлягає регенерації