4.4 Опрацювання результатів вимірювань

1 Здійснити розрахунки горизонтального u та вертикального q масштабів екрана осцилографа згідно формул:

, [В/мм], (4.4)

, [Кл/мм], (4.5)

де U – діюче значення напруги, прикладеної до досліджуваного сегнетоелектрика, В;

С₀ та С₀₁ – ємності відповідних конденсаторів, Ф;

X, Y – відхилення променя осцилографа при масштабуванні, мм (рекомендується U=100 В; Х = 40 мм; Y=5 мм.)

Результати розрахунків записати в таблицю 4.1.

2 Здійснити розрахунки поточних значень заряду Q_i, Кл; статичної ємності сегнетоелектрика С_ст, Ф; коефіцієнта прямокутності гістерезисної петлі К_пр; тангенса кута діелектричних втрат tg за формулами:

[Кл], (4.6)

, [В], (4.7)

, [Ф], (4.8)

, (4.9)

, (4.10)

, [Кл] , (4.11)

, [В] . (4.12)

В наведених формулах прийняті такі позначення:

X_і,m, Y_і,m – поточні координати вершини гістерезисної петлі, мм;

Q_m – амплітудне значення заряду, Кл;

U_і,m – поточне значення прикладеної напруги, В;

Q_r – залишковий заряд, Кл;

S – площа гістерезисної петлі, мм²;

Х_а, Y_а – максимальне значення координат вершини гістерезисної петлі при насиченні, мм;

Х_с, Y_r – координати точок перетину гістерезисної петлі з горизонтальною та вертикальною осями, мм;

U_c – коерцитивна напруга, В.

3 Результати обчислень звести в таблиці 4.4 та 4.5.

Таблиця 4.4 – Результати розрахунку параметрів петлі гістерезису

U, В	Um, B	Qm, Кл	Сст, Ф	Uc, B	Qr, Кл	Кпр	tg 

Таблиця 4.5 – Результати визначення точки К’юрі

T,0C	Um, B	Qm, Кл	Ccт, Ф

4 Побудувати графіки залежностей ; ; ; ; ; .

4.5 Контрольні запитання

1. Які матеріали називають сегнетоелектриками?

2. Які основні параметри та властивості сегнето-електриків?

3. Яка природа діелектричних втрат в сегнетоелектриках?

4. Де застосовують сегнетоелектрики?

Лабораторна робота № 5 визначення електричної міцності діелектриків

Мета роботи

Вивчити теоретичні основи пробою діелектриків та методику експериментального визначення електричної міцності твердих, газоподібних та рідких діелектриків.

5.1 Основні теоретичні відомості

Всі діелектрики зберігають свої електроізоляційні властивості тільки до певного значення напруженості електричного поля, після чого відбувається пробій. Пробоєм називають явище утворення в діелектрику провідного каналу під дією електричного поля. Важливою характеристикою матеріалу є здатність діелектрика витримувати дію електричного поля, яка оцінюється його електричною міцністю. Електрична міцність діелектрика Е_пр – мінімальна напруженість електричного поля, що призводить до його пробою. Стійкість електроізоляційних конструкцій до дії електричного поля оцінюється значенням пробивної напруги. Пробивною напругою називають мінімальну прикладену до ізоляції напругу, що призводить до пробою.

Розрізняють наступні види пробою діелектриків: електричний, тепловий (електротепловий) та електрохімічний.

Кожен із зазначених видів пробою може мати місце для того ж самого матеріалу в залежності від характеру електричного поля (постійного або змінного, імпульсного, низької або високої частоти), наявності в діелектрику дефектів, зокрема закритих пор, від умов охолодження та тривалості дії напруги.

Електричний пробій характеризується досить швидким розвитком, він протікає за час, менший за 10^-7–10^-8 с, і не зумовлений тепловою енергією, хоча електрична міцність при електричному пробої до деякої міри залежить від температури.

Електричний пробій за своєю природою є чисто електронним процесом, коли з декількох початкових електронів у твердому тілі утворюється електронна лавина. Електрони розсіюють енергію свого руху, накопичену в електричному полі, збуджуючи при цьому пружні коливання кристалічних ґраток. Електрони, що досягли певної критичної швидкості, відщеплюють нові електрони, і стаціонарний стан порушується, тобто виникає ударна іонізація електронами у твердому тілі.

Для однорідних матеріалів спостерігається помітна різниця між значеннями пробивної напруги в однорідному й неоднорідному полях.

Тепловий пробій виникає в тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, що може розсіюватись в даних умовах. При цьому порушується теплова рівновага, що призводить до підвищення температури діелектрика.

Явище теплового пробою зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температур, що відповідають плавленню й обвуглюванню. Електрична міцність при тепловому пробої є характеристикою не тільки матеріалу, але й виробу з нього, тоді як електрична міцність при електричному пробої служить характеристикою самого матеріалу. Пробивна напруга, зумовлена нагріванням діелектрика, пов'язана з частотою напруги, умовами охолодження, температурою навколишнього середовища. Крім того, "електротеплова" пробивна напруга залежить від нагрівостійкості матеріалу.

Електрохімічний пробій має істотне значення при підвищених температурах і високій вологості повітря. Цей вид пробою спостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли в матеріалі розвиваються процеси, що зумовлюють незворотне зменшення опору ізоляції (електрохімічне старіння). Крім того, електрохімічний пробій може мати місце при високих частотах, якщо в закритих порах матеріалу відбувається іонізація газу, що супроводжується тепловим ефектом. Для розвитку електрохімічного пробою потрібен тривалий час. Електрохімічний пробій спостерігається у багатьох органічних матеріалів.

При електричному пробої зростання електропровідності діелек­трика зумовлюється розривом зв'язків між частинками діелектрика під дією електричного поля і ударною іонізацією. Даний механізм пробою є домінуючим для газоподібних діелектриків, які є ізолюючим середовищем в більшості електротехнічних пристроїв (повітряних лініях електропередачі, електричних апаратах, газонаповнених кабелях, конденсаторах, трансформаторах тощо).

В газі завжди є невелика кількість додатніх та від'ємних іонів, а також електронів, що утворюються під дією зовнішніх іонізуючих факторів, опромінення і т.п. Вони зумовлюють електропровідність газів. Пробій газів зв'язаний з явищем ударної та фотонної іонізації. При дії електричного поля заряджені частинки починають переміщуватись, набуваючи при цьому додаткову енергію:

, (5.1)

де q – заряд;

U_ – різниця потенціалів на довжині вільного пробігу .

Набута зарядженими частинками енергія передається атомам чи молекулам газу, з якими ці частинки стикаються. Якщо ця енергія досить велика, то може відбутися іонізація молекул, тобто їх розщеплення на електрони та додатні іони. В результаті іонізації газу збільшується кількість вільних носіїв зарядів і його провідність зростає. Умовою, що визначає можливість іонізації є W_еW_і, де W_і – енергія іонізації газу.

Утворені при ударній іонізації заряджені частинки, в свою чергу, прискорюються електричним полем та іонізують інші молекули, створюючи електронну лавину. В ряді випадків спостерігається збудження молекул, зв'язане з переходом одного з електронів на більш віддалену від ядра орбіту. При переході молекули в зрівноважений стан випромінюється фотон, який поглинається іншою молекулою і може викликати її фотоіонізацію з наступним утворенням часткової електронної лавини. При злитті всіх часткових електронних лавин утворюється суцільний канал іонізованого газу - від'ємний стример. Одночасно з ростом від'ємного стримера потік позитивно заряджених частинок рухається до катода з утворенням газорозрядної плазми. Збільшення тиску призводить до зменшення довжини вільного пробігу електронів у газі, в результаті чого напруженість електричного поля, необхідна для іонізації газу, збільшується. При малих тисках, коли відстань між атомами менша за довжину вільного пробігу електронів, для набуття енергії, необхідної для іонізації газу в міжелектродному просторі, також необхідна підвищена напруженість. Оскільки для пробою газу необхідне утворення в проміжку певної кількості носіїв, пробивна напруга газу визначається добутком його тиску на довжину проміжку, а не кожним з цих факторів окремо. Електрична міцність газу визначається і його складом, а також однорідністю електричного поля.

Процеси, що відбуваються в рідині при пробої, досить складні. Існує кілька теорій пробою рідкого діелектрика. Основна теорія – теплова, застосовна до рідин, що мають значну електропровідність. У цьому випадку при прикладенні електричного поля рідкий діелектрик розігрівається за рахунок діелектричних втрат. Внаслідок зростання температури зменшується питомий об'ємний опір _v, що призводить до подальшого зростання наскрізного струму І_нас. Так створюються умови для безперервного збільшення температури до кипіння рідини. При цьому електрична міцність різко зменшується і відбувається пробій.

Підвищену електричну міцність рідкого діелектрика порівняно, наприклад, з газоподібними, пояснюють значним зменшенням довжини вільного пробігу електронів.

Теорія чисто електричного пробою рідких діелектриків пов'язує явище пробою з вириванням електронів з металевих електродів або з руйнуванням самих молекул рідини.

Найбільш широко як рідкий діелектрик застосовується трансформаторна олива. Трансформаторна олива застосовується для заливання трансформаторів, оливонаповнених вводів і оливових вимикачів.

Електрична міцність рідких діелектриків залежить від ряду факторів: температури, тиску, частоти і форми кривої напруги, форми й матеріалу електродів. Однак, особливо слід зазначити сильний вплив домішок, найпоширенішою з яких, що різко знижує електричну міцність, є вода, особливо в емульсійній формі. Негативна дія вологи ще більш підсилюється за наявності гігроскопічних волокнистих домішок.

Трансформаторні оливи, залежно від їх стану, розрізняються таким чином:

- свіжа сира олива, що надійшла з заводу-постачальника;

- регенерована олива, що була у вживанні та пройшла регенерацію;

- чиста суха олива, отримана після просушки свіжої сирої або регенерованої оливи;

- експлуатаційна олива, що знаходиться в експлуатації і відповідає відповідним нормам;

- відпрацьована олива, в якої хоча б один з показників не відповідає нормам на експлуатаційну оливу.

Відповідно до правил технічної експлуатації (ПТЕ) оцінка електричних властивостей чистої сухої й експлуатаційної оливи виконується головним чином за пробивною напругою.

Стандартне випробування оливи на пробій виконується між латунними сферичними електродами діаметром 36 мм, розташованими всередині стандартної порцелянової судини на відстані 2,5 мм один від одного. Відстань між електродами перевіряється спеціальним щупом.

Необхідно ретельно стежити за чистотою і станом посудини й електродів. Пробивна напруга, визначена в стандартному розряднику в результаті випробувань як для чистої сухої, так і для експлуатаційної оливи, не повинна бути нижчою значень, наведених у таблиці 5.1.

Тверді діелектрики можуть одночасно виконувати функції електричної ізоляції та використовуватись як конструкційний елемент. Ця особливість дає можливість зменшити розміри електроізоляційних конструкцій і зумовлює широке застосування твердих діелектриків у різних електротехнічних пристроях.

Характерною особливістю твердих діелектриків є те, що після пробою вони не відновлюють своїх електроізоляційних властивостей, тому пробій твердої ізоляції в процесі експлуатації недопустимий.

При електричному пробої в однорідному полі електрична міцність твердих діелектриків не залежить від їх товщини.

Таблиця 5.1 – Мінімально допустимі пробивні напруги оливи для оливонаповнених апаратів

Номінальна напруга оливонаповненого апарата або трансформатора, кВ	Пробивна напруга оливи в кВ на відстані електродів один від одного 2,5 мм
	для чистої сухої оливи	для експлуатаційної оливи
До 15 (включно)	25	20
до 35	30	25
від 60 до 220	40	35
від 330 і вище	50	45

Електрична міцність неоднорідних діелектриків значно знижується при збільшенні площі електродів та товщини діелектрика. При використанні двох шарів неоднорідного діелектрика ймовірність співпадання слабких місць зменшується, тому електрична міцність підвищується. Це відбувається до певного числа шарів. При подальшому збільшенні числа шарів електрична міцність зменшується. Різке зменшення електричної міцності твердого діелектрика спостерігається в неоднорідному полі, при зволоженні, порушенні механічної міцності, старінні під впливом електричного поля, температури, часткових розрядів, механічних напруг, атмосферних факторів і т.п.

Для забезпечення надійної роботи діелектриків їх робоча напруга U повинна бути значно нижчою за пробивну напругу U_пр.