Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

41

исходит без трения, то потери на поляризацию также будут малы. При средней вязкости поляризационные потери могут быть существенными и при некотором значении вязкости имеют максимум (рис. 28).

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто являются полярными или представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды).

На рис. 27 представлена зависимость tgδ от температуры для масляно-канифольного компаунда при двух значениях частоты.

Рис. 27. Зависимость tgδ от температуры для масляно-канифольного компаунда

При повышении частоты максимум tgδ смещается в область более высокой температуры. Это объясняется тем, что большая частота требует меньшего времени релаксации, необходимого для получения максимума угла потерь, а для этого должна быть меньше вязкость, т.е. выше температура. Минимум значения tgδ на рис. 27 и рис. 28 соответствуют температурам, при которых вязкость жидкости становится настолько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. Потери в этом случае очень малы. Дальнейшее увеличение tgδ с повышением температуры объясняется ростом потерь на электропроводность. Именно она определяет механизм диэлектрических потерь при повышенных температурах.

42

Рис. 28. Зависимость мощности ДП и tgδ

от температуры и частоты для полярных диэлектриков

Потери возрастают с частотой до тех пор, пока диполи успевают следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают полностью ориентироваться в направлении поля, то потери становятся постоянными и tgδ уменьшается.

Вернуться к содержанию

2.6.4. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры диэлектриков.

Твердые диэлектрики обладают разнообразным составом и строением; поэтому в них возможны все виды диэлектрических потерь. Твердые диэлектрики можно подразделить на четыре группы:

диэлектрики молекулярной структуры;

диэлектрики ионной структуры;

сегнетоэлектрики;

диэлектрики неоднородной структуры.

Вдиэлектриках молекулярной структуры потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы, так как обусловлены только потерями на электропроводность. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные полимеры – полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлек-

43

трики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды и полиуретаны; каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) – и ряд других материалов. Все они из-за присущей им ди- польно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры и частоты внешнего электрического поля (рис. 28,а, 28,б)

ДП в диэлектриках ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью и весьма малы. При повышении температуры потери от сквозной электропроводности увеличиваются. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al2O3), входящий в состав ультрафарфора.

В веществах с неплотной упаковкой ионов наблюдается релаксационная поляризация, вызывающая повышенные диэлектрические потери, возрастающие с повышением температуры.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры – неорганических стеклах – связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности, которая проявляется обычно при температурах 50–100ÀС.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетоэлектриков является наличие в них самопроизвольной (спонтанной) поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются при повышении температуры в области самопроизвольной поляризации и резко уменьшаются при температуре выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства

44

теряются и самопроизвольная поляризация исчезает (разрушается доменная структура).

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры. К таким диэлектрикам принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов с разными электрическими свойствами. К числу неоднородных материалов следует отнести керамику, представляющую собой сложную многофазную систему, а также слюду, обладающую слоистой структурой. К диэлектрикам неоднородной структуры относится также и пропитанная бумага, которая кроме волокон целлюлозы, содержит также пропитывающее вещество и оставшиеся не заполненными при пропитке воздушные включения.

Вернуться к содержанию

2.7. Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Эту внезапную потерю электроизоляционной способности материала под действием внешнего электрического поля называют пробоем. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением (Uпр), кВ.

Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика и, следовательно, не может являться характеристикой электроизоляционных свойств материала, из которого изготовлена изоляционная конструкция. Характеристикой способности материала сохранять электроизоляционные свойства при воздействии повышенного напряжения является электрическая прочность. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, от-

несенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Епр Uпр / h , кВ/мм	(30)

где h – толщина диэлектрика.

В случае однородного электрического поля электрическая прочность имеет четкий физический смысл. Она соответствует напряженности электрического поля, вызвавшего пробой электроизоляционного материала.

45

Вслучае неоднородного электрического поля, определенная по формуле (30) электрическая прочность, является условным параметром, который служит для взаимного сравнения различных материалов, если они были испытаны в идентичных условиях.

Вместе пробоя возникает искра или дуга, которые могут вызвать оплавление, обгорание, растрескивание или разложение (для полимеров) диэлектрика.

После снятия напряжения просматривается след в твердом диэлектрике в виде пробитого, проплавленного или прожженного отверстия. Для электрических аппаратов пробой изоляции, как правило, явление аварийного характера, выводящее их из строя и требующее ремонта или замены.

Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства.

Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому, если расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой – перекрытие изоляции, т.е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха (перекрытие изоляторов).

По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:

электрический;

электротепловой;

электрохимический;

ионизационный.

Вернуться к содержанию

46

2.7.2.Пробой газов

Для газов характерен чисто электрический пробой в сильных электрических полях, приводящий к внезапному резкому возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Данный вид пробоя происходит за очень короткое время (порядка 10–8 с). Примером явления чисто электрического пробоя является молния.

Газы состоят из нейтральных молекул, а обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в них свободных зарядов – электронов и ионов. Рассмотрим процесс возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе.

Когда электроны находятся на орбитах, ближайших к ядру, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения. Энергия возбуждения (Wв) равна разнице энергий электрона на удаленной и нормальной орбитах.

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет примерно 10–10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Чем большую энергию получает атом при столкновении с электроном или при поглощении фотона, тем на более удаленную орбиту переходит электрон. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительно заряженный ион. Энергия, которую необходимо сообщить атому (молекуле) для осуществления ионизации, называется энергией ионизации (Wи).

Энергии возбуждения и ионизации принято выражать в электрон-вольтах. 1 эВ – это энергия, которую электрон получает от электрического поля, пройдя разность потенциалов в 1 В. Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 3.

47

				Таблица 3
	Минимальные энергии возбуждения
	и ионизации некоторых газов
Газ		Минимальная энергия, эВ
		возбуждения (Wв)		ионизации (Wи)
N2		6,1		15,5
N		6,3		14,5
O2		7,9		12,5
O		9,1		13,6
H2O		7,6		12,7
He		19,8		24,6

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация.

С увеличением количества заряженных частиц возрастает частота встреч частиц с противоположными знаками и скорость рекомбинации возрастает. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц.

При воздействии естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение, радиоактивное излучение, тепло) в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в кубическом сантиметре. Небольшое количество в газе положительных ионов и электронов, как и нейтральные молекулы газа, находится в беспорядочном (хаотичном) тепловом движении.

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой энергии, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную (кинетическую) энергию:

Wдоп qU ,

(31)

48

где q – заряд частицы; U – падение напряжения на длине свободного пробега ( ).

Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами. Ионизация молекул в результате столкновения с разогнанными электрическим полем заряженными частицами называется ударной ионизацией, а за счет захвата фотонов – фотонной.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Случайно появившийся в промежутке электрон при достаточной напряженности электрического поля может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы и т.д. Такой процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.

Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. Под действием электрического поля ионы сравнительно медленно движутся к электродам.

Помимо ионизации электроны лавины производят возбуждение атомов и молекул газа. Поскольку энергия возбуждения существенно меньше энергии ионизации, то число возбужденных частиц значительно больше, чем ионизированных. Переход возбужденных частиц в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов, что наблюдается в виде свечения газа. Часть излученных фотонов имеет достаточно высокую энергию и принадлежит ультрафиолетовой области спектра.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрица-

49

тельных ионов, называются электроотрицательными (кислород, фтор, хлор).

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия электрона была больше энергии ионизации или равнялась ей (условие ионизации):

WТ Wдоп Wи ,

(32)

где WТ – энергия теплового движения частиц или собственная энергия молекулы или атома (обычно небольшая при нормальной температуре); Wдоп – дополнительная энергия, приобретенная электроном под действием внешнего электрического поля, определяемая по формуле (31).

Энергия ионизации для различных газов составляет 4Ä25 эВ. Падение напряжения на длине свободного пробега в одно-

родном электрическом поле определяется по выражению:

U Е ,

(33)

где Е – напряженность электрического поля, кВ/мм; – длина свободного пробега электрона.

Тогда условие ионизации приобретает следующий вид:

WТ qЕ Wи ,

(34)

где Е – электрическая прочность газа, соответствующая напряженности электрического поля, при которой произошел пробой.

Пробой газа происходит практически мгновенно (при рас-

стоянии между электродами 1 см время пробоя составляет порядка 10–8 с).

Электрическая прочность воздуха при нормальных атмосферных условиях (t = 20 ÅС, относительная влажность φ = 60 %, давление р = 760 мм рт.ст.= 0,1 МПа) при расстоянии между электродами 10 мм в однородном электрическом поле составляет 3 кВ/мм. Следовательно, электрическая прочность воздуха не остается постоянной, т.к. зависит от температуры, влажности, давления, неоднородности электрического поля и расстояния между электродами.

50

С увеличением температуры энергия теплового движения молекул увеличивается и для их ионизации требуется меньшая дополнительная энергия. И хотя длина свободного пробега электронов уменьшается с возрастанием температуры вследствие увеличения скорости движения молекул, электрическая прочность воздуха снижается. Увеличение температуры на 3ÀС приводит к уменьшению пробивного напряжения на 1 %.

Повышение влажности воздуха также приводит к уменьшению его электрической прочности. Увеличение абсолютной влажности воздуха в 1,5 раза приводит к уменьшению Uпр на 5 %.

Подъем на каждые 100 м над уровнем моря (уменьшение атмосферного давления) приводит к снижению пробивного напряжения на 1 %.

Следует отметить, что указанное влияние атмосферных условий на Uпр воздуха относится к межэлектродным расстояниям до одного метра. При расстоянии между электродами более 1 м влияние атмосферных условий снижается по мере увеличения расстояний.

Зависимость электрической прочности воздуха от давления приведена на рис. 29.

Епр

0,1

р, МПа

Рис. 29. Зависимость электрической прочности воздуха от давления

Точкой отсчета для приведенной характеристики является нормальное атмосферное давление, равное 0,1 МПа (1 атм).

При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами