ЛЕКЦИЯ 6

РАЗДЕЛ 3 Электропроводность диэлектриков

3.1Классификация веществ по электрическим свойствам

3.2Электропроводность жидких диэлектриков

3.3Электропроводность твердых диэлектриков

3.4Поляризация диэлектриков. Диэлектрические потери

3.1Классификация веществ по электрическим свойствам

Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам и полупроводникам. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие (возбуждение, ионизация).

Стремясь перейти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем

при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется целая полоса – зона энергетических уровней.

Диэлектрики – такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.

Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

Проводники - материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, то есть могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля.

Процессы электропроводности наблюдаются в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Однако электропроводность газов в слабых электрических полях и при нормальных условиях настолько мала, что в большинстве случаев не имеет никакого практического значения и ею можно пренебречь. Только в сильных электрических полях, когда создаются условия для разрядных процессов, в газах могут наблюдаться относительно большие токи проводимости. Сущность этих процессов была изложена в разделе 2. Ниже кратко рассматриваются процессы проводимости в жидких и твердых диэлектриках.

Под действием электрических полей в реальных диэлектриках возникают малые токи проводимости. Хотя электропроводность диэлектриков на много порядков меньше, чем металлов, процессы электропроводности диэлектриков имеют большое практическое значение.

Значение процессов электропроводности диэлектриков:

1.Токи проводимости являются одной из причин рассеяния энергии в диэлектриках при воздействии электрических полей, то есть причиной диэлектрических потерь. Эти потери вызывают дополнительный нагрев конструкций высокого напряжения.

Поэтому приходится снижать рабочие токи в токоведущих частях или индукцию в магнитопроводах, чтобы ограничить суммарную мощность потерь в конструкции и рабочие температуры ее элементов. При определенных условиях диэлектрические потери могут привести к так называемому тепловому пробою.

2.Процессы электропроводности в диэлектриках обычно связаны с присутствием в них небольших количеств разного рода примесей, загрязнений. Эти примеси, как правило, влияют и на электрическую прочность диэлектриков. Между пробивным напряжением и током уточки изоляции при нормированном испытательном напряжении существует в ряде случаев некоторая

корреляционная связь, то есть Uпр=f(Iу). Поэтому по току утечки оценивают состояние изоляции оборудования ВН.

3.2Электропроводность жидких диэлектриков

Свободными заряженными частицами, движение которых в электрическом поле обуславливает ток проводимости, в жидких диэлектриках могут быть ионы и коллоидные частицы. Таким образом, проводимость жидкого диэлектрика в первом случае называют ионной, во втором молионной или катафоретической.

Ионы обоих знаков образуются в жидких диэлектриках в результате диссоциации нейтральных молекул. В некоторых случаях это могут быть молекулы самой диэлектрической жидкости, однако в значительно большей степени диссоциируют молекулы различного рода примесей (несовершенство процессов производства и очистки жидких диэлектриков). Примеси могут также образовываться в самих жидких диэлектриках во время эксплуатации оборудования ВН вследствие процессов теплового старения или проникать в жидкий диэлектрик из окружающей среды. Во всех случаях при диссоциации нейтральной молекулы образуются два иона противоположных знаков, заряды которых по абсолютной величине равны заряду электрона.

Коллоидные частицы – это всегда примеси. Они имеют размеры от 10-9 до 10-7 м и постоянно находятся во взвешенном состоянии. Они беспорядочно перемещаются при отсутствии электрического поля, участвуя в броуновском движении. Коллоидные частицы по ряду причин обязательно

заряжены. По отношению к жидкости они имеют некоторый потенциал ξ - электрокинетический или дзета-потенциал. Его величина зависит от физико-

химических свойств диэлектрика и частицы, обычно ξ=0,03-0,07 В, при этом заряд коллоидной частицы равен

qê = 4πε0εræ Rζ

(3.1)

где εrж – относительная диэлектрическая проницаемость жидкого диэлектрика;

R – радиус сферической коллоидной частицы.

Знак qк зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей εrк – коллоидной частицы и εrж – жидкости:

При εrк>εrж – заряд коллоидной частицы положительный;

При εrк<εrж – заряд коллоидной частицы отрицательный.

Плотность тока проводимости в жидком диэлектрике в общем случае определяется выражением:

j = n+q+u+ + n−q−u− + nê qê uê

(3.2)

где n+,n-,nк – количество частиц в единице объема; q+,q-,qк – заряды частиц;

u+,u-,uк – средние скорости движения заряженных частиц (u=KE, где K

– подвижность).

В слабых электрических полях (Е<106 В/м) подвижности ионов K+ и K-, а также подвижность коллоидных частиц Kк не зависят от напряженности поля и являются и величинами постоянными (подвижности ионов имеют значение порядка 10-8 м2/(сּВ), коллоидных частиц- 10-11 м2/(сּВ))Поэтому.

выражение (3.2) может быть записано в виде:

j = (n+q+K+ + n−q−K− + nê qê Kê )E = γE

(3.3)

где γ – удельная проводимость жидкого диэлектрика ( [γ]=См/м=1/(Омּм)). Таким образом, в слабых электрических полях плотность тока проводимости прямо пропорциональна напряженности поля, то есть

соблюдается закон Ома.

Удельная проводимость жидких диэлектриков зависит от температуры Т. С ее ростом γ возрастает вследствие увеличения степени диссоциации молекул и роста концентрации ионов, а также из-за повышения подвижности заряженных частиц. Рост удельной проводимости γ при повышении температуры Т соответствует выражению

γ =γ0e	[a(T −T0 )]	(3.4)

где γ0 – удельная проводимость при Т=Т0; а – температурный коэффициент, значение которого зависит от свойств

жидкого диэлектрика (для трансформаторного масла а≈0,02).

В сильных электрических полях (Е>107 В/м) удельная проводимость растет по мере увеличения напряженности поля Е, то есть здесь наблюдается отклонение от закона Ома. Объясняется это тем, что в этом случае само поле влияет на степень диссоциации молекул, а также на подвижность заряженных частиц. Приближенно зависимость удельной проводимости γ от напряженности Е выражается формулой

γ =γ0e	[b(E −E0 )]	(3.5)

где γ0 – удельная проводимость при Е=Е0;