Электропроводность диэлектриков

Отличительным свойством диэлектриков, используемым в электроизоляционной технике, является очень слабая способность проводить электрический ток. Низкая электропроводность диэлектриков обусловлена тем, что при обычных условиях (низких температурах и напряженностях электрического поля) в них имеется весьма малое количество носителей заряда по сравнению с проводниками и полупроводниками. По своему характеру электропроводность диэлектриков является главным образом ионной.

Под действием приложенного постоянного напряжения через электрическую изоляцию протекает ток утечки, который состоит из объемного и поверхностного токов. Объемный ток проходит через внутренние области изоляции и обусловлен величиной объемного сопротивления R_v. Поверхностный ток утечки проходит через поверхностные слои изоляции и обусловлен величиной поверхностного сопротивления изоляции R_s. Понятие  поверхностного сопротивления вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате внешних воздействия внешних загрязнений, например, влаги, электропроводность наружных слоев изоляции может быть значительно большей по сравнению с проводимостью внутренних областей. В таких случаях низкое значение электрического сопротивления изоляции определяется большим поверхностным током утечки.

Для оценки качества диэлектриков с точки зрения их способности препятствовать прохождению через них электрического тока пользуются такими характеристиками как удельное объемное сопротивление _v и удельное поверхностное сопротивление _s, которые являются величинами, обратными удельной объемной проводимости _v и удельной поверхностной проводимости _s.

При повышении температуры удельные сопротивления электроизоляционных материалов уменьшаются. У твердых диэлектриков это явление объясняется главным образом увеличением числа носителей заряда при нагревании. Для ограниченного интервала температур зависимость удельного объемного сопротивления от температуры достаточно точно выражается формулой

где - удельное объемное сопротивление при температуре t°,C;

- удельное объемное сопротивление при температуре 0°С;

α - коэффициент, зависящий от природы материала, характеризующий скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры.

Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от величины приложенного напряжения, уменьшаясь при ее возрастании. Эта зависимость  обнаруживается при неплотном прилегании электродов к поверхности изоляции. Она также наблюдается и у пористых материалов в результате перераспределения влаги в капиллярах под действием приложенного напряжения, а также в случае образования объемных зарядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высоковольтной поляризации. Следует отметить, что здесь подразумеваются такие напряжения, значения которых далеки от пробивного напряжения изоляции.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями Р_д называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вы­зывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери зависят от электрического тока, проходящего в диэлектрике, помещенном в электрическом поле.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в ве­ществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смеще­ния упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляри­зациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксиро­вать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поля­ризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свобод­ных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквоз­ных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле используют эквивалентную электрическую схему замещения диэлектрика в электрическом поле. В такой схеме емкостные элементы имитируют процессы поляризации, а активные сопротивления отражают потери при поляризации и протекании сквозного тока соответственно.

Рис.1. Векторная диаграмма для определения угла диэлектрических потерь диэлектрика в электрическом поле

На основе электрической схемы замещения строится векторная диаграмма токов и напряжении диэлектрика (рис.2), в которой I₁ – емкостной ток, обусловленный мгновенными видами поляризации, не вызывающий нагрев диэлектрика; I₂’ – емкостной ток, обусловленный замедленными видами поляризации, не вызывающий нагрев диэлектрика; I₂” – активный ток, обусловленный замедленными видами поляризации, вызывающий нагрев диэлектрика; I₃ – сквозной ток в диэлектрике, вызывающий нагрев диэлектрика

По векторной диаграмме определяется угол диэлектрических потерь θ, который характеризует количества тепла, выделяющегося в диэлектрике. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига φ между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь θ будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига φ и тем больше угол θ и его функция tgθ.

Тангенс угла диэлектрических потерь имеет важное значение, т.к. его величина прямопропорциональна диэлектрическим потерям. С ростом частоты нагрев диэлектрика увеличивается, а это значит, что в высоковольтной и высокочастотной технике необходимо применять диэ­лектрики с низким значением tgθ (порядка 10^-5). Кроме того, конден­сатор с диэлектриком, имеющим большое значение tgθ, ухудшает доб­ротность колебательного контура.

отсюда .

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизо­ляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором исполь­зован данный диэлектрик, а, следовательно, и величину затухания.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных мате­риалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током и активными составляющими токов смещения.

В технических электроизоляционных материалах, помимо по­терь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поля­ризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, оксидов железа; они зна­чительны даже при малом содержании таких примесей в электроизо­ляционном материале.

При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают вследствии ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.