ЛР №1

Ф

1598

ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра электрооборудования

А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров

Исследование свойств электроизоляционных

материалов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 1 по дисциплине

"Материаловедение. Технология конструкционных материалов"

для студентов специальности 140610

"Электрооборудование и электрохозяйство предприятий,

организаций и учреждений"

Липецк 2007

УДК 620.22 (07)

Ш 835

Шпиганович А.Н. Исследование свойств электроизоляционных материалов [Текст]: методические указания к лабораторной работе №1 по дисциплине "Материаловедение. Технология конструкционных материалов"/А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 20 с.

Методические указания предназначены для студентов 3 курса очной и 4 курса очно–заочной и заочной форм обучения специальности 140610 "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений"

Табл. 1. Ил. 5. Библиогр.: 8 назв.

Рецензент Е.П. Зацепин, канд. техн. наук, доцент

© А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров, 2007

© ГОУ ВПО "Липецкий государственный

технический университет, 2007

Исследование свойств электроизоляционных материалов

Цель работы: изучить и проанализировать свойства электроизоляционного материала. Рассмотреть вопросы об его получении и применении в электротехнической промышленности и электроустановках.

1. Исходные данные и порядок выполнения работы

1.1. Исходные данные для выполнения работы. Наименование электроизоляционного материала (номер варианта) получить у преподавателя.

1.2. Порядок выполнения работы. Лабораторная работа должна включать следующие основные разделы:

– получение данного электроизоляционного материала, включая добычу, производство как самого материала, так и заготовок из него Изложение основных особенностей технологии производства данного материала;

– рассмотрение основных характеристик служащих для оценки пригодности данного электроизоляционного материала для его использования в электротехнике;

– применение данного материала в электротехнике (электротехнических изделиях, электроустановках), включая примеры.

2. Порядок сдачи–приёмки лабораторной работы

2.1. Студент обязан получить задание на лабораторную работу в сроки в соответствии с программой по данной дисциплине.

2.2. Работа должна быть выполнена аккуратно согласно требованиям ГОСТ и действующим правилам оформления.

2.3. Лабораторная работа должна содержать все разделы, указанные в п. 1.2.

2.4. При сдаче лабораторной работы студент должен продемонстрировать знание её содержания, а также знания по разделу "Электроизоляционные материалы" данной дисциплины.

2.5. Оценка за лабораторную работу выставляется исходя из соответствия требованиям п.2.2–п.2.4.

3. Материал для самоподготовки

3.1. Поляризация диэлектриков

3.1.1. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация – свойство диэлектрика, возникающее при воздействии на него электрического напряжения и вызывающее ограниченное смещение связанных зарядов. Поляризация характеризуется диэлектрической проницаемостью и углом диэлектрических потерь. Ток сквозной проводимости – ток, возникающий под воздействием электрического напряжения из-за наличия в диэлектрике свободных зарядов. Он, как правило, не большой по величине, течёт сквозь толщу диэлектрика и на его поверхности. Диэлектрик характеризуется удельной объёмной и удельной поверхностной проводимостями, а также величинами обратными первым. Диэлектрик может быть использован на определённое напряжение, величина которого для каждого диэлектрика своя и может меняться в зависимости от внешних условий – такое напряжение называется предельным. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, превышает предельное, то в этом случае наступает пробой. Пробой диэлектрика – полная потеря им электроизоляционных свойств. Электрическая прочность материала - это его способность выдерживать без разрушения приложенное напряжение. Она характеризуется пробивной напряжённостью электрического поля.

3.1.2. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. При внесении в электрическое поле каких-либо диэлектриков электрическое поле изменяется. На первоначально незаряженных диэлектриках в электрическом поле возникают электрические заряды. На диэлектрике появляются электрические полюсы, отчего и само явление получило название поляризации диэлектриков. Заряды, возникающие на диэлектриках в электрическом поле, называются поляризационными зарядами.

Явление поляризации диэлектриков имеет сходство с индукцией в проводниках. Однако между обоими явлениями имеется и важное различие. Разделяя в электрическом поле проводник на части, можно отделить друг от друга индукционные заряды, и поэтому после исчезновения поля, разъединенные части проводника остаются заряженными. Разделяя же в электрическом поле диэлектрик, мы обнаружим, что после устранения поля каждая часть диэлектрика остается по-прежнему незаряженной. Отделить друг от друга поляризационные заряды невозможно. Это различие объясняется тем, что в металлах отрицательный заряд существует в подвижном состоянии в виде электронов проводимости, которые могут перемещаться на значительные расстояния. Поэтому индукционные заряды в металлах можно отделить друг от друга. В диэлектриках же заряды обоих знаков связаны друг с другом и могут только смещаться на малые расстояния в пределах одной молекулы.

Неполяризованный диэлектрик (в отсутствие электрического поля) можно схематически изобразить в виде собрания молекул, в каждой из которых равные положительные и отрицательные заряды распределены равномерно по всему объему молекулы, что показано на рис. 3.1, а. При поляризации диэлектрика заряды в каждой молекуле смещаются в противоположные стороны, и на одном конце молекулы появляется положительный заряд, а на другом — отрицательный. Это показано на рис 3.1, б. При этом каждая молекула превращается в электрический диполь. Смещение зарядов внутри молекул будет проявляться как возникновение некоторых зарядов на диэлектрике. При этом внутри диэлектрика по-прежнему количество положительного заряда будет равно количеству отрицательного, но на одном из концов диэлектрика возникнет тонкий слой с неcкомпенсированным положительным зарядом, а на другом появится неcкомпенсированный отрицательный заряд, т. е. возникнут поляризационные заряды.

3.2. Электропроводность диэлектриков

3.2.1. Основные понятия. Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе для получения равновесного состояния создают поляризационные токи, которые также называют токами смещения. Обычно токи смещения очень кратковременны, и зарегистрировать их приборами, как правило, не удаётся. Существуют также токи замедленного смещения, которые наблюдаются у большинства технических диэлектриков. Такие токи называют абсорбционными. Если электрическое поле имеет постоянный характер, то абсорбционные токи протекают только в начальный и конечный моменты, т.е. при появлении и исчезновении электрического поля. Если электрическое поле носит переменный характер, то абсорбционные токи существуют постоянно.

Наличие в диэлектрике свободных зарядов приводит к тому, что в них существуют токи сквозной проводимости, или токи утечки. Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике будет складываться из плотности токов сквозной проводимости и плотности абсорбционных токов:

,

где j_ск – плотность токов сквозной проводимости; j_аб – плотность абсорбционных токов.

Плотность тока смещения будет равна:

,

где D – вектор индукции (смещения), включающий в себя мгновенное (электрическое и ионное) смещение зарядов.

На рис. 3.2. представлен график зависимости тока протекающего через диэлектрик от времени. В начальный момент времени при появлении поля ток, протекающий через диэлектрик, будет сравнительно велик. По мере того как проходит время поляризация диэлектрика завершается и токи смещения уменьшаются и, наконец, в определённый момент времени токи смещения равны нулю и через диэлектрик протекает только ток сквозной проводимости. Поэтому при измерении сопротивления диэлектрика, для того чтобы получить наиболее точные значения, необходимо чтобы прошло определённое время. Обычно оно равно одной минуте.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяют по сквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов на электронах. При переменном напряжении активная проводимость определяется как сквозным током, так и активной составляющей поляризационных токов. Сопротивление диэлектрика определяет величину тока сквозной проводимости. Оно находится из выражения:

,

где U – приложенное напряжение; i – наблюдаемый ток; i_п – сумма токов замедленной поляризации.

Для твёрдых изоляционных материалов необходимо рассчитывать как объёмную так и поверхностную электропроводимость которая определяется удельным объёмным сопротивлением диэлектрика ( ρ) и удельным поверхностным сопротивление диэлектрика ( ρ_s). В свою очередь, зная удельное и поверхностное сопротивления можно найти удельные и поверхностные проводимости. Которые соответственно равны:

;

.

Сами объёмные и поверхностные сопротивления находят из выражений:

;

,

где R-объёмное сопротивление; S-площадь электрода; h-толщина образца; R_s- сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, находящимися друг от друга на расстоянии l.

Большое значение в определении электропроводности изоляционных материалов имеет их агрегатное состояние (твёрдые, жидкие или газообразные). Уменьшение тока со временем в жидкостях или газах говорит о том, что электропроводность материалов была обусловлена наличием примесей. Увеличение тока со временем в диэлектриках говорит об участии в нём зарядов, являющихся структурными элементами самих материалов и о процессе старения в диэлектриках под действием приложенного напряжения, которое приводит в конце концов к пробою (разрушению диэлектрика).

Важной величиной, характеризующей электропроводность диэлектрика является также постоянная времени саморазряда конденсатора – произведение сопротивления изоляции конденсатора и его ёмкости:

.

3.2.2. Электропроводность газов. Газы, как правило, обладают исключительно малой электропроводностью. Ток в них возникает только при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул возникает либо за счёт внешних воздействий, либо за счёт соударений молекул с заряженными частицами. К внешним воздействиям относят: рентгеновское, ультрафиолетовое космическое, радиационное и инфракрасное излучения и т.д.

Электропроводность, возникающую за счёт действия внешних факторов, называют не самостоятельной. Электропроводность, возникающую за счёт соударения заряженных частиц с молекулами газа, т.е. когда кинетическая энергия заряженных частиц под действие электрического поля становится большой, называется несамостоятельной. Процесс объединения положительных ионов с отрицательными частицами называется рекомбинацией. Она ограничивает безграничную ионизацию газов при воздействии внешних факторов. Предположим ионизированный газ, находится между двумя электродами, находящимися под напряжением. Под влиянием напряжения электроны начнут двигаться, и возникнет ток, часть электронов будут нейтрализованы на обкладках электродов, часть исчезнет за счёт рекомбинации. На рис. 3.3 представлен график зависимости тока протекающего через газ от напряжения приложенного к обкладкам электродов. В первой части графика приложенное напряжение больше нуля, но меньше напряжения насыщения U_н. В этом случае число положительных и отрицательных ионов постоянно. На этом участке выполняется закон Ома. На втором участке напряжение больше напряжения насыщения U_н и меньше критического U_кр. В этом случае все вновь создаваемые в газовом промежутке ионы рекомбинируются и разряжаются на электродах, поэтому ток на этом участке не зависит от напряжения и называется током насыщения. На третьем участке напряжение больше критического U_кр. В этом случае возникает ударная ионизация, ток начинает резко расти и если процесс не остановить образуется плазма.

3.2.3. Электропроводность жидких диэлектриков. В нейтральных жидкостях электропроводность определяется наличием примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и молекулами самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как движением ионов, так и движением других заряженных частиц. Невозможность полного удаления из жидкостей примесей приводит к тому, что жидкостный диэлектрик редко используется как электроизоляционный материал. Полярные жидкости всегда имеют наивысшую проводимость, причём возрастание диэлектрической проводимости всегда приводит к росту электропроводности. Сильно полярные жидкости отличаются настолько высокой электропроводностью, что могут рассматриваться не как диэлектрики, а как проводники с ионной проводимостью. Очистка жидких диэлектриков от примесей помогает улучшить их диэлектрические свойства. В этом случае используется электрическая очистка, когда к обкладкам электродов прикладывается определённое напряжение и постепенно ионы примеси, содержащиеся в жидкости, нейтрализуются на этих обкладках. При длительном пропускании электрического тока наблюдается повышение сопротивления за счёт переноса ионов к электродам.

Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры, чем выше температура, тем становится меньше вязкость, проводимость увеличивается. В коллоидных системах наблюдается молионная или электрофоретическая электропроводность, при которой носителями заряда становится группа молекул, которая называется молионом. Коллоидные системы бывают двух видов: эмульсии (две фазы жидкости); суспензии (одна фаза жидкость, другая – твёрдое вещество). При наложении электрического поля на такую жидкость происходит смещение одной фазы относительно другой, возникает явление, носящее название электрофореза. Это явление отличается от электролиза тем, что при электрофорезе новых веществ не появляется, а лишь меняется концентрация составляющих в различных слоях жидкости.

3.2.4. Электропроводность твёрдых тел. Обуславливается как движением ионов самого твёрдого тела, так и движением ионов примесей, а в некоторых материалах вызвано движением свободных электронов. Электропроводность особенно сильно проявляется в электрических полях. Её вид устанавливается экспериментально. Ионная проводимость сопровождается переносом вещества на электроды, при электронной – этого не происходит. В процессе прохождения электрического тока через твёрдый диэлектрик содержащиеся в нём электроны, частично удаляются, нейтрализуясь на электродах. Это явление приводит к тому, что при длительном пропускании тока электропроводность уменьшается, а сопротивление возрастает. В твёрдых диэлектриках ионного типа, где электропроводность обусловлена перемещением ионов, при низких температурах перемещаются только слабо закреплённые ионы. При высокой температуре электропроводность возрастает. В диэлектриках с атомно-молекулярной структурой электропроводность определяется наличием примесей.

3.3. Пробой диэлектриков

3.3.1. Общая характеристика явления пробоя. Пробой диэлектрика или нарушение его электрической прочности, это явление при котором диэлектрик теряет свойства электроизоляционного материала вследствие превышения своей напряжённости критического значения. Пробивное напряжение – это напряжение, при котором происходит пробой. Пробивная напряженность или электрическая прочность диэлектрика – значение напряженности, при котором происходит пробой диэлектрика

,

где h – толщина диэлектрика.

Пробой газа обуславливается ударной и фотоионизацией. В однородной среде происходит мгновенно, в неоднородной ему предшествует явление короны. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате тепловых и ионизационных процессов. Причины явления – наличие примесей в жидкостях. Пробой твёрдых тел может быть вызван как электрическим током, так и тепловыми явлениями, возникающими под действием электрического тока. Электрический пробой – связан с внезапным, резким возрастанием плотности тока. Тепловой пробой – возникает в связи с уменьшением активного сопротивления диэлектрика, вследствие чего происходит рост тока, затем увеличивается нагрев, после чего наступает разрушение диэлектрика. Электрохимический пробой – вызван электрохимическими процессами, возникающими под действием электрического поля.

3.3.2. Пробой газов. Во многих видах электрических конструкций естественной изоляцией является воздух. Электрическая прочность которого в нормальных условиях не высока. Небольшое количество положительных и отрицательных ионов, а также электронов находится в хаотическом тепловом движении и при наложении электрического поля, получает дополнительную энергию

,

где q – заряд; U_l – падение напряжения на длине пробега заряженной частицы.

Если электрическое поле однородно, то в этом случае напряжение U_l будет равно

,

где E – напряжённость электрического поля; – средний пробег частицы.

Добавочная энергия сообщается молекулам, вследствие чего происходит их ионизация или возбуждение (переход электрона на более отдалённый от ядра уровень). Условия ионизации регулируются следующими соотношениями:

,

или

,

где W_и – энергия ионизации.

Напряжение ионизации можно найти как

=4–25 В.

Начальная напряжённость – это напряженность, при которой происходит начальная ионизация газов (кислород, углекислый газ, пары воды). Электроны, столкнувшись с молекулой, присоединяются к ней, тогда величина энергии такого отрицательного заряженного иона может быть меньше величины энергии молекулы. В отличие от электронов, соударяющихся с нейтральными молекулами, при соударении положительных и отрицательных зарядов с молекулами ионизация не возникает, потому что электроны имеют большую подвижность. В ряде случаев электрон, разогнанный электрическим полем может не ионизировать молекулу, а привести её в возбуждённое состояние, то есть вызвать изменение движения электронов связанных с молекулами. Далее эта возбуждённая молекула отдаёт энергию в виде излучения, испуская фотоны, фотон поглощается другой молекулой в результате, происходит ионизация. Такая внутренняя фотонная ионизация благодаря большой скорости излучения приводит к быстрому развитию разрядных промежутков, которые обладают повышенной проводимостью и называются стримерами.

Если длительность воздействия мала, то пробивное напряжение повышается, это характеризуется коэффициентом , который можно найти из выражения:

,

где – пробивное напряжение при данных условиях (данной частоте), – напряжение пробоя при частоте 50 Гц.

Явление пробоя газов зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой. Однородное поле получают между плоскими проводниками, закруглёнными на концах, а также сферами большого диаметра расстояние между которыми много меньше их диаметра. В таком поле пробой наступает практически мгновенно и при строго определённой величине напряжённости. Величина пробивного напряжения зависит в этом случае от температуры и давления, между электродами возникает искра, которая затем переходит в электрическую дугу. Пробивное напряжение зависит от величины произведения давления газа на расстояние между электродами.

Закон Пашина: электрическая прочность в однородном поле зависит от расстояния между электродами (рис. 3.4). Из графика видно, что электрическая прочность по мере удаления одного электрода от другого будет уменьшаться. Это связано с тем, что в данном случае речь идёт об однородном поле и поэтому расстояние h – для случая сфер–электродов будет ограничено размерами самих электродов. В обычных условиях температура и давление для расчета пробивного напряжения в воздухе учитывается в соответствии со следующими выражениями:

,

где U_пр0 – пробивное напряжение при нормальных условиях; d – относительная плотность воздуха; которая равна

,

где P – давление; T – абсолютная температура.

На величину электрической прочности влияют давление, температура, а также химический состав газа. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, между остриём и плоскостью, между электрическими проводами и между сферами расстояние между которыми превышает их диаметры. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде корон, в местах, где напряжённость поля достигает своего критического значения. После этого явление короны переходит в искровой разряд, а затем при возрастании напряжения – в электрическую дугу.

3.3.3. Пробой жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики в отличие от газов отличаются значительно большей электрической прочностью. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. В связи с примесями затруднено создание обобщённой теории пробоя жидких диэлектриков, поэтому в настоящее время получили развитие три теории:

–тепловая теория – связывает пробой с частичным перегревом жидкости и её вскипанием в местах наибольшего скопления примесей, что приводит к образованию газового мостика между электродами;

–теория ионизационного пробоя – справедлива для жидкостей, которые получили максимальную очистку. Она схожа с теорией ионизационного пробоя газа, а повышенная электрическая прочность объясняется меньшей свободой пробега заряженных частиц у жидкости.

–чисто электрический пробой – явление пробоя связано с вырыванием электронов из металла электродов или с разрывом молекул жидкости.

3.3.4. Электрический пробой твёрдых диэлектриков. Для твёрдых диэлектриков существуют четыре вида пробоя:

– электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

– электрический пробой неоднородных диэлектриков;

– тепловой пробой;

– электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот пробой характеризуется быстрым развитием 10^-7 -10^-8 сек, и не обусловлен тепловой энергией, хотя величина электрической прочности в некотором смысле зависит от температуры. Данный вид пробоя чисто электрический процесс и имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев диэлектрика, а также когда отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Он характерен для диэлектриков, содержащих примеси и газовые включения, также быстро развивается. Пробивное напряжение в этом случае не высоко.

Тепловой пробой. Электрическая прочность твёрдых неоднородных диэлектриков практически не зависит от температуры до её определённого значения. После этого значения температура начинает оказывать влияние на её величину и при определённом значении наступает тепловой пробой.

Электрохимический пробой. Имеет особо существенное значение при высоких температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, тогда в электроизоляционных материалах начинают развиваться электрохимические процессы, обуславливающие необратимые изменения в изоляции. Это явления называют старением изоляции, оно приводит к постепенному снижению прочности диэлектрика и к пробою при напряжении, которое значительно ниже напряжения полученного при кратковременном воздействии.