Лекции

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.

3.1.4 Поляризация диэлектриков. Диэлектрические потери

3.1.4.1 Общие 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.

3.1.4.2 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
C(ϖ) = CÃ +			,
		2 2
	1+ω T
где T = r∆C =		R1R2 (C1 +C2 )		- постоянная времени
		R1 + R2

Из рис. 3.6 видно, что:

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

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.

3.1.4.2 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
tgδ =ωR4C4		(3.18)

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.

ЛЕКЦИЯ 8

РАЗДЕЛ 3 (продолжение)

3.2Разряды по поверхности твердых диэлектриков

3.2.1Общие сведения

3.2.2Разряд вдоль поверхности в однородном поле

3.2.3Разряд вдоль поверхности в резконеоднородном поле

3.2.4Особенности развития разряда по увлажненной и загрязненной поверхности

3.2.1Общие сведения

Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенно изменить условия, и даже механизм развития разряда. При этом величина разрядного напряжения, как правило, снижается и зависит уже не только от плотности воздуха и формы электрического поля, но еще и от свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения ее относительно силовых линий поля.

Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям.

В конструкции показанной на рис. 3.8, а поле, казалось бы, однородно. Силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика. Данная конструкция сравнительно редко встречается в реальных установках, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда.

Рис. 3.8, б. Поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика преобладает над

нормальной составляющей (Еt>En). Данная конструкция встречается часто – опорные изоляторы.

Рис. 4.1, в. Поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая (Еt<En). Данная конструкция встречается часто – проходные изоляторы.

3.2.2Разряд вдоль поверхности в однородном поле

Вприсутствии диэлектрика (рис. 3.8, а) электрическое поле, казалось бы, остается однородным. Поэтому естественно предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте, а разрядное напряжение будет таким же, как и для чисто воздушного промежутка.

Однако в воздухе разряд всегда развивается вдоль поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в чисто воздушном промежутке.

Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом.

Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого

диэлектрика.

Нормальная составляющая вектора электростатической индукции на границе двух диэлектриков остается непрерывной, то есть:

Dn1= Dn2 ;

ε1ε0En1= ε2ε0En2 , откуда

En2 = En1	ε1	(3.18)
	ε
	2

Диэлектрическая проницаемость воздуха в 3-4 раза меньше, чем твердого диэлектрика, поэтому, согласно выражению (3.18), в микрозазоре произойдет местное усиление поля. Увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток, создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком необходимо:

1.Использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов (например, глазуровка фарфора).

2.Обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные прокладки.

3.2.3Разряд вдоль поверхности в резконеоднородном поле

В конструкции рис.3.8,б, электрическое поле неоднородно. Поэтому у нее разрядное напряжение при прочих равных условиях ниже, чем у конструкции с однородным полем. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 3.8 а, но оно слабее выражено, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля возникает коронный разряд.

Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет