b –коэффициент.

Как уже отмечалось, свободные заряженные частицы присутствуют в жидких диэлектриках обычно как примеси. Поэтому удельная проводимость γ жидких диэлектриков сильно зависит от степени их очистки. Для технически чистых неполярных жидкостей γ=(10-11-10-14)Ом-1·м-1, а для полярных γ=(10-8-10-12)Ом-1·м-1. У полярных жидкостей удельная проводимость значительно больше, так как степень диссоциации молекул примесей в таких жидкостях выше.

3.3Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков принято различать поверхностную и объемную электропроводности.

Поверхностная электропроводность

Поверхностная электропроводность имеет место тогда, когда на поверхности твердого диэлектрика образуется тонкий (невидимый глазом) слой адсорбированной влаги. В этом слое частично растворяются загрязнения, попавшие на поверхность диэлектрика. Молекулы загрязняющих веществ при растворении диссоциируют, образуя ионы. Поэтому слой адсорбированной влаги имеет, как правило, достаточно высокую электрическую проводимость.

Характеристикой этого процесса является удельная поверхностная проводимость γs (1/Ом). Величина γs зависит от способности диэлектрика адсорбировать на своей поверхности влагу и смачиваться водой, а также от влажности воздуха. Исходя из этого твердые диэлектрики разделяются на гидрофильные и гидрофобные.

Г и д р о ф и л ь н ы е – хорошо адсорбируют влагу и смачиваются водой (угол смачивания менее π/2). Большинство твердых диэлектриков являются гидрофильными материалами (в том числе стекло и фарфор). У них удельная поверхностная проводимость резко увеличивается с ростом относительной влажности воздуха. Например, поверхностная проводимость γs глазури на фарфоре при повышении влажности воздуха от 0 до 80% увеличивается от 10-13 до 10-9Ом-1.

Вторую группу составляют твердые диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой (угол смачивания более π/2). На поверхности таких диэлектриков влага адсорбируется в виде отдельных, не соединяющихся друг с другом микрокапель; сплошная пленка влаги не образуется даже при высокой влажности воздуха. Это г и д р о ф о б н ы е материалы. Поверхностная проводимость γs у гидрофобных диэлектриков на 2-3 порядка меньше, чем у гидрофильных, и величина γs почти не зависит от

относительной влажности воздуха вплоть до точки выпадения росы. К группе гидрофобных материалов относятся парафин, политетрафторэтилен, некоторые виды кремнийорганических соединений.

Таким образом, удельная поверхностная проводимость зависит от свойств самого диэлектрика, однако характеризует, прежде всего, состояние его поверхности, наличие на ней загрязнений и адсорбированной влаги.

Объемная электропроводность

Это способность твердого диэлектрика проводить в электрическом поле ток. Она может быть обусловлена движением ионов одного или обоих знаков, а в сильных электрических полях – и движением свободных электронов.

Ионная проводимость твердых диэлектриков наблюдается в слабых и сильных электрических полях. Создающие эту проводимость ионы могут принадлежать основному веществу или компоненте диэлектрика, однако в большинстве случаев ионы является примесями.

Свободные электроны в твердом диэлектрике могут образовываться в результате эмиссии с поверхности катода, вследствие эмиссии дырок (вакантных мест) с поверхности анода и туннельного перехода электронов из нормальной (валентной) зоны в зону проводимости.

Электропроводность внутри твердого диэлектрика характеризуется удельной объемной проводимостью γv (Ом-1·м-1). Величина γv зависит от целого ряда факторов и в первую очередь – от состава диэлектрика. При этом важное значение имеет не только состав основных веществ диэлектрика, но и состав примесей. Особую роль в этом отношении играет влага.

Большинство твердых диэлектриков при нахождении во влажной среде способны поглощать воду. Экспериментально установлено, что увлажнение твердых диэлектриков приводит к значительному увеличению объемной проводимости γv. Например, при повышении влагосодержания картона на несколько процентов его объемная проводимость может возрасти на 3-4 порядка.

Увеличение удельной объемной проводимости γv происходит и с повышением температуры, так как при этом возрастает подвижность ионов и увеличивается степень диссоциации молекул примесей во влаге. Зависимость γv от температуры Т приближенно отображает формула (3.4).

Для некоторых диэлектриков (например, для полимеров) лучшее согласие с опытными данными дает выражение

γv = Ae	−B
	T	(3.6)

где А,В – постоянные величины.

3.4Поляризация диэлектриков. Диэлектрические потери

3.4.1Общие сведения

В электрическом поле диэлектрики поляризуются, приобретая наведенный электрический момент. Этот процесс обратим.

Поляризация – изменение состояния диэлектрика при внесении его во внешнее электрическое поле, которое заключается в том, что весь объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. Электрические поля, определяющие взаимодействие микроскопических зарядов, имеют внутри атомов величину порядка 1011 В/м и во много раз превышают величину максимальных допустимых на практике макроскопических полей (~107 В/м). Этим объясняется высокая устойчивость атомов и молекул во внешних электрических полях. Характер этого воздействия зависит от конкретного строения тела.

1) В простейшем случае диэлектрик может состоять из молекул, у которых в отсутствие электрического поля дипольный момент равен нулю (парафин, бензол и ряд других углеводородов). При этом поляризация под действием поля состоит в смещении центров положительного и отрицательного зарядов молекулы и превращении ее в диполь, ориентированный по линии электрического поля.

2) Многие реальные диэлектрики содержат молекулы, представляющие собой диполи, которые в отсутствие электрического поля ориентированы случайным образом, однако в среднем равномерно во все стороны (вода, нитробензол). При приложении электрического поля в таких

диэлектриках молекулы диполи поворачиваются и ориентируются преимущественно по линиям поля.

3) Кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение. При поляризации происходит смещение положительных ионов по полю, а отрицательных – против поля.

Во всех случаях процессы поляризации развиваются во времени: в ряде случаев эти процессы протекают так быстро, что их можно считать практически мгновенными (например, когда поляризация заключается в смещении орбит электронов, время установления поляризации составляет примерно 10-15 с). Другие виды поляризации развиваются медленнее, время их установления может быть значительно большим (до нескольких десятков секунд).

Все вышесказанное справедливо для всех видов поляризации, обусловленных смещением в электрическом поле связанных зарядов. В следующем параграфе рассматривается особый вид поляризации, обусловленный движением свободных зарядов.

3.4.2 Миграционная поляризация

Миграционная поляризация имеет место в неоднородных диэлектриках и обусловлена движением в электрическом поле свободных зарядов (обычно ионов). Она представляет практический интерес в связи с тем, что наблюдается в изоляции конструкций ВН, в которой обычно используются неоднородные диэлектрические материалы или комбинации диэлектриков.

Сущность миграционной поляризации поясним на простом примере двухслойного диэлектрика, расположенного между плоскими электродами. Для такого диэлектрика возможны две схемы замещения.

Первая из них – схема замещения по слоям (3.5, б). Элементы этой схемы определяются через параметры слоев диэлектрика следующим образом:

R =	1		d1		;		C		=	ε0εr1S ;
1	γ1			S			1			d1	(3.7)
		1		d2						ε0εr 2 S
R =						;	C		=		,
		γ2
2				S				2		d2

где d1 и d2 – толщины соответственно первого и второго слоев диэлектрика; S – площадь электродов.

Для второй схемы замещения (3.5, в):

R = R1 + R2
C	Ã	=			Ñ1Ñ2
				Ñ +Ñ			2
					1											(3.8)
r =			R R			(R		+ R )(C				+C		)2
				1	2	1				2	1		2
						(R C				− R C		)2
						1		1		2	2
∆C =						(R C − R C )2
					(R + R )2 (C						+C )
						1		1		2	2
					1			2		1			2

где R – сопротивление утечки, характеризующее проводимость двухслойного диэлектрика в установившемся режиме;

CГ – геометрическая емкость диэлектрика.

Выражения (3.7) и (3.8) получены из условия равенства полных сопротивлений диэлектрика в обеих схемах замещения.

Используя схему замещения рис. 3.5, в, легко показать, что емкость неоднородного диэлектрика зависит от частоты ω:

C(ϖ) = CÃ +			∆C		,
	1		2	2
			+ω T

где T = r∆C =	R1R2 (C1 +C2 )		- постоянная времени
	R	+ R
	1	2

Из рис. 3.6 видно, что:

1)СГ – это емкость неоднородного диэлектрика при бесконечно высокой частоте, когда процессы проводимости не влияют на распределение напряжения по слоям диэлектрика.

2)Процессы в неоднородном диэлектрике при воздействии переменного напряжения внешне проявляются так, как будто в этом диэлектрике происходит поляризация частично мгновенная, а частично со временем релаксации τ =T = r∆C.

Отмеченный эффект имеет место только в том случае, когда диэлектрик неоднороден, то есть:

εr1		≠	εr 2		(3.10)
γ	1		γ	2

Выражение (3.10) является условием неоднородности диэлектрика и условием существования в двухслойном диэлектрике миграционной поляризации.

Для миграционной поляризации характерно накопление на границе слоев неоднородного диэлектрика заряда абсорбции. При длительном приложении к диэлектрику постоянного напряжения U0 на слоях устанавливаются напряжения:

U1 =U0	R1		;	U2 =U0	R2		(3.11)
	R + R	2			R + R	2
1				1

Соответственно на емкостях слоев С1 и С2 накапливаются заряды:

	q1 =U1C1 =U0	R1C1		;	q2 =U2C2 =U0	R2C2		(3.12)
		R + R	2			R + R	2
		1				1

При этом на границе раздела слоев суммарный заряд будет равен:

	qàáñ		=		q1 −q2		=U0	R1C1	− R2C2	(3.13)
								R1+R2

Из выражения (3.13) следует, что если соблюдается условие

неоднородности диэлектрика (εr1		≠	εr 2		) и соответственно	R1C1 ≠ R2C2 , то на
γ	1		γ	2

границе раздела слоев накапливается заряд абсорбции qабс. С накоплением заряда абсорбции связаны явления, которые используются для оценки состояния неоднородной изоляции.

3.4.3 Диэлектрические потери

Диэлектрические потери – мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающего нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в изоляции при воздействии постоянного электрического поля обусловлены наличием проводимости у реальных изоляционных материалов.

В переменных электрических полях, кроме того, рассеяние энергии происходит и при некоторых видах поляризации, развивающихся относительно медленно во времени.

Мощность диэлектрических потерь РД в единице объема изоляции при воздействии переменного поля с круговой частотой ω определяется выражением:

PÄ =ωε0εÄ Å2tgδ

(3.14)

где ω=2πf – круговая частота;

ε0 – диэлектрическая постоянная; εД – действительная составляющая комплексной относительной

диэлектрической проницаемости (ε= εД-jεМ); Е – напряженность электрического поля;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90º угол фазового сдвига φ между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90º, при этом угол диэлектрических потерь δ будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем больше угол δ и его функция tgδ.

	tgδ =	Ia	(3.15)
		Ic

Полная мощность диэлектрических потерь во всем объеме диэлектрика будет определяться выражением:

PÄ = ICUtgδ =ωCU 2tgδ

(3.16)

где IC – емкостной ток через диэлектрик;

U – напряжение приложенное к диэлектрику.

Выражение (3.16) удобно тем, что все входящие в него величины, характеризующие свойства диэлектрика (С, tgδ), поддаются достаточно точному измерению в одном опыте с помощью моста Шеринга.

Из условия равновесия моста Cx R3 = CN R4 следует что:

CX =	CN R4	(3.17)
	R
	3	(3.18)
tgδ =ωR4C4

где СX – емкость испытуемой изоляции; СN – емкость эталонного конденсатора.

Величина tgδ – важнейшая характеристика электрической изоляции. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим изоляции.

Важное практическое значение tgδ имеет и потому, что величина чувствительна к изменениям состояния или качества изоляции. Ухудшение качества изоляции обычно сопровождается значительным ростом удельной проводимости γ, и, следовательно, величины tgδ. Поэтому по значению tgδ можно судить о состоянии изоляции, о наличии в ней загрязнений и в частности влаги.