Экзаменационные ответы по электротехническим материалам. Шпаргалка Электротехнические материалы. 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов

• Название: 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов
• Анкор: Экзаменационные ответы по электротехническим материалам
• Дата: 04.06.2022
• Размер: 1.25 Mb.
• Имя файла: Шпаргалка Электротехнические материалы.docx
• Тип: Документы; #568769
• страница: 2 из 9

Поверхностная проводимость, поверхностное сопротивление диэлектриков

Поверхностная проводимость твёрдых диэлектриков. Факторы, влияющие на поверхностное сопротивление

Для твердых электроизоляционных материалов [1] необходимо различать объемную и поверхностную проводимость.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ_V и удельного поверхностного сопротивления ρ_S.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_S равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.



Рис. 1 Удельное поверхностное сопротивление:

1 – параллельно поставленные электроды; 2 – образец материала

Удельное поверхностное сопротивление (в омах) рассчитывается по формуле



где R_S – поверхностное сопротивление образца материала 2, Ом, между параллельно поставленными электродами 1 шириной d, отстоящими друг от друга на расстояние l.

Удельная поверхностная проводимость ρ_S измеряется в сименсах (См).

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Поверхностная электропроводность ρ_S обусловлена присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличается значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности, превышающей 70 — 80 %.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями удельного поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями ρ_S, заметно уменьшающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удельного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков легко прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению ρ_S. Низкие значения удельного поверхностного сопротивления имеют и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги толщей материала стимулирует также и образование поверхностных пленок воды.

Удельное поверхностное сопротивление [2] церезина, являющегося неполярным диэлектриком, существенно выше по сравнению с ρ_Sщелочного стекла и фенопласта и не зависит от влажности окружающей среды (рис. 2).

Загрязнение поверхности некоторых диэлектриков уменьшает их удельное поверхностное сопротивление (табл. 1).



Рис. 2 Зависимость удельного поверхностного сопротивления от относительной влажности для различных диэлектриков:

1 — церезин; 2 — щелочное стекло; 3 — фенопласт

Стремясь повысить удельное поверхностное сопротивление, применяют разнообразные приемы очистки поверхности: промывку (водой, растворителями), прокаливание при температуре 600 —700°С.

Наиболее эффективной является очистка поверхности изделия, не впитывающего воду, продолжительным кипячением в дистиллированной воде. Пропитка поверхностных слоев детали церезином не обеспечивает достаточной устойчивости значений ρ_S при высокой влажности ввиду возможности проникновения влаги в микропоры поверхности изделия сквозь защитные покрытия. Покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает удельное поверхностное сопротивление изделий во влажной среде.

В итоге можно сделать следующие выводы. Зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности обусловливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ, вода, адсорбируемая поверхностью, способствует их выявлению. Если эти вещества случайно попали на поверхность диэлектрика, то путем их удаления можно получать высокие значения удельного поверхностного сопротивления при любой влажности воздуха. Если вещества, диссоциирующие на ионы, являются составной частью материала, то удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться при увеличении влажности.

11 Диэлектрические потери в диэлектриках: схемы замещения диэлектриков, виды диэлектрических потерь, факторы, влияющие на диэлектрические потери.

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

P = U²·ωC·tgδ,

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.



Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика

с потерями

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная. У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

(рис. 4,a). Они не зависят от частоты:

P = U²/R.

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

P = A·exp(–b/T),

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле

tgδ =  , (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление,  ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле



где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.
12 Пробой диэлектриков: электрический пробой твердых диэлектриков, одно- и многокомпозиционные изоляционные конструкции, кратковременная и одноминутная электрическая прочность.

У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1. электрический;

2. тепловой;

3. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

Изоляционный материал одной структуры, имеющий неизменные электроизоляционные свойства, называется однокомпозиционной конструкцией. К таким материалам относятся В основном кристаллы (слюда, стекло, фарфор, керамика и т.п.). В технике Однокомпозиционные материалы В ЧИСТОМ виде применяются очень редко.

Технический диэлектрик - это многокомпозиционный материал. Характерным техническим диэлектриком может служить изоляция электрических машин. В ее состав входят: изоляционный барьер с высокой электрической прочностью -слюда, мусковиты, флогопиты, стеклоткани, стеклорогожки; механический барьер (подложки) электрокартон, бумаги, хлопчатобумажные материалы, стеклоленты, стеклоткани, жгуты; связующие или компаунды (склеивающие и пропитывающие) - эпоксидные, полиэфирные, формальдегидные, битумные и т.д., смолы и компаунды. Различают изоляцию ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКУЮ(микалента) - с повышением температуры такая изолента размягчается и мигрирует, теряет монолитность, но со снижением температуры до рабочих восстанавливает свои электроизоляционные свойства; ТЕРМОРЕАКТИВНУЮ с повышением температуры такая изоляция разрушается и теряет свои свойства, а при снижении ее до рабочих они не восстанавливаются. Например, изоляция для электрических машин это слюдотерм, монолит, ВЭС и т.п., которая успешно эксплуатируется в настоящее время. Электроизоляционные свойства термопластической изоляции достаточно высоки и имеют срок службы более 50 лет, однако остаются дорогостоящими с невысокими физико-механическими характеристиками. Термореактивная изоляция обладает более высокими электрическими, физико-механическими свойствами и меньше старится. Однако под воздействием явления короны в ней могут развиваться дендриты -это термическая деструкция - разрушение материала в виде науглероженных дорожек. Такие изменения материала увеличивают проводимость изоляционного промежутка.

Электрический пробой твердых диэлектриков однородной структуры по своей природе связывается с появлением свободных электронов, т.е. таких электронов, которые обладают достаточной энергией, чтобы возбудить нейтральные молекулы до их ионизации. Свободные электроны становятся причиной лавинного процесса в структуре и в результате образуется канал пробоя. Электрический пробой однородной структуры - это явление, при котором исключается влияние потерь, вызывающих нагрев диэлектрика, а также отсутствует ионизация газовых включений. Таким образом, для такого диэлектрика электрический пробой будет мерой электрической прочности материала. В сложной композиции (технический диэлектрик) канал пробоя развивается быстро, как и в однородной структуре. Если композиционный материал находится в равномерном или неравномерном электрическом поле, то пробивные напряжения мало отличаются друг от друга. Установлено, что электрическая прочность твердых неоднородных диэлектриков не зависит или мало зависит от толщины материала, и будет оцениваться наличием дефектов, т.е. неоднородностью структуры по рисунку 1.19. Снижение электрической прочности с увеличением толщины твердого диэлектрика – это, прежде всего увеличение вероятности появления дефекта на участке диэлектрика, который подвергается воздействию внешнего электрического поля. Поэтому различают область высокой электрической прочности диэлектрика или вероятность отсутствия дефекта в структуре и область низкой электрической прочности, где вероятность присутствия дефекта очень большая.

Электрическая прочность твердого технического диэлектрика находится из напряженностей внешнего Е_вн электрического поля и суммарной напряженности внутренней Е_в, возникающей под действием сил электрического поля между электродами 2, 3 внутри диэлектрика 1: поляризаций (дипольная Е₁, миграционная Е₂ и Е₃ на границах раздела) и ионизации в газовом включении Е₄ по рисунку 1.20. Результирующая напряженность выразится

Е_р = Е_пр = Е_вн – Е_в.

Расчетное значение электрической прочности находится формуле (1.8).

Электрический пробой при одной и той же толщине твердого диэлектрика подчиняется статистическим закономерностям и имеет значительный разброс дискретных значений пробивного напряжения U_пр из- за вероятностей дефектов. Поэтому вероятность получения одного и того же значения U_пр при многократном пробое большой площади диэлектрика маловероятна, что видно из рисунка 1.21

Вероятность появления минимального значения U_прmin говорит о большом количестве дефектов в объеме испытуемого диэлектрика, а вероятность появления максимального значения напряжения U_прmax - прежде всего об отсутствии дефектов в этом месте твердого диэлектрика, т.е. о его однородной структуре под электродами 2, 3 из рисунка 1.20. 50%-ное или при вероятности 0,5 пробивное напряжение используется для выбора рабочего напряжения U_раб аппарата, в котором можно использовать изоляционный материал, подвергающийся испытанию. С этой целью сначала по формуле (1.8) находят электрическую прочность диэлектрика, а затем полученный результат делят на четыре, предполагая, что запас электрической прочности изоляционной конструкции должен быть в 4 раза выше рабочего (номинального) напряжения аппарата. Найденное значение, равное или близкое к меньшей величине стандартного рабочего (номинального) напряжения аппарата, рекомендуют как рабочее напряжение для данного диэлектрика. Рабочие (номинальные) напряжения электрических аппаратов U_раб в кВ: 0,22; 0,4; 0,6; 1,0; 3,0; 6,0; 10,5; 15,75; 20; 35; 110; 220; 500.

Определение электрической прочности твердых диэлектриков проводят по ГОСТ 6433.3 - 71. Изменение напряжения может быть плавным (кратковременным) или ступенчатым (одноминутным). При плавном изменении напряжение повышают от нуля до пробоя равномерно, чтобы пробой диэлектрика произошел через 10 - 20 с после начала повышения напряжения. По результату пробивного напряжения по формуле (1.8) находят кратковременную электрическую прочность. Во втором случае напряжение поднимают от величины 0,5 ожидаемого пробивного напряжения ступенями. На каждой ступени выдерживают напряжение в течение 1 мин. Увеличение напряжения производят через 0,2 от величины напряжения первой ступени и увеличивают его до пробоя.

Таким образом, при пробивном напряжении по формуле (1.8) находят одноминутную электрическую прочность, которая на 20 - 25 % ниже кратковременной по причине возможного электрического старения диэлектрика за время оценки или испытания.
13 Пробой диэлектриков: электрический пробой твердых диэлектриков, факторы, влияющие на электрическую прочность диэлектрика.

Толщина изоляции. Любая изоляция аппарата определяется расстоянием между электродами. При увеличении этого расстояния растет и толщина h изоляции. Увеличение h изоляции приводит к возрастанию допустимых значений напряжений Uпр и Uпр0,5, соответствующих требуемым вероятностям пробоя при малой и максимальной повреждаемости диэлектрика. Для основных видов изоляции высоковольтных аппаратов крупногабаритной конструкции допустимые напряженности составляют: Епр < 400 кВ/см, Епр0,5 <200 кВ/см. Характерный вид зависимости напряжения и распределения напряженности от толщины изоляции в конструкции в/в аппарата представлен на рисунке 1.19. Замедление роста напряжения по мере увеличения толщины изоляции связано с изменением электрического поля в сторону неравномерности или увеличением вероятности присутствия дефектов. По этой причине вводят коэффициент неоднородности Кn с использованием правила максимальной напряженности, по которому в изоляционном промежутке при любой заданной вероятности пробоя или повреждения изоляции нет зависимости от толщины h и от коэффициента Кn. Если максимальная напряженность в изоляции Еmax = U / h Кn, то из указанного правила вытекает следующее соотношение допустимых напряжений для двух конструкций с изоляцией одного и того же вида:
Uпр1 / Uпр2 = h2 Kn1 / h1 Kn2.
Удовлетворительные результаты изоляционных конструкций, работающих в неоднородном электрическом поле, получаются при Кn < З.

Площадь электродов. С увеличением площади электродов электрическая прочность снижается. Если рассмотреть зависимости вероятностей пробоя или повреждения изоляции по рисунку 1.1 в зависимости от площади электродов, то окажется, что напряжение будет снижаться. Эмпирическое выражение, связывающее допустимые напряжения для конструкции с площадями электродов соответственно S1 и S2’ запишется как

Uпр2 – Uпр1 = 6 / π (σ ln(S2 / S1)),

где у первой конструкции площадь электродов S1, а у второй S3 = n S1 при n > 1; σ - среднеквадратическое отклонение математического ожидания напряжения пробоя.



Риc. 5.3. Зависимость E_пр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)