Диэлектрические потери в газах, жидкостях и твердых телах

    Диэлектрические потери в газах при напряженности поля, ниже необходимой для возникновения ударной ионизации молекул, очень малы. В таком случае газ – идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь в газах является в основном электропроводность, так как ориентация полярных молекул в газах при их поляризации не сопровождается диэлектрическим потерями. Все газы имеют очень малую электропроводность, поэтому угол диэлектрических потерь у   них мал, особенно на высоких частотах, и выражаются зависимостью (1.7.1).

Диэлектрические потери в жидкостях существенно зависят от строения жидкости. В неполярных жидкостях без примесей они обусловлены только электропроводностью. Удельная электропроводимость их тоже очень мала, малы и диэлектрические потери. В этом случае   мал и может быть рассчитан по формуле (1.7.1). Полярные жидкости в зависимости от условий могут иметь большие потери, связанные с дипольно-релаксационной поляризацией и потерями от электропроводности. Применяемые в технике диэлектрики могут представлять смеси неполярных и полярных веществ, например, масляно-канифольные компаунды, или могут быть полярными жидкостями. Жидкие полярные диэлектрики имеют заметную зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Диэлектрические потери в них в основном обусловлены поляризацией и называются дипольно-релаксационными потерями. Диполи, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением теплоты. Если вязкость жидкости велика, то молекулы не успевают следовать за изменением поля и потери от поляризации будут малы. Дипольные потери малы также в жидкостях с малой вязкостью, т.к. поворот диполей происходит без трения. При средней вязкости дипольные потери могут быть достаточно велики и при некотором значении вязкости имеют максимум. Рассеиваемая мощность  при дипольно-релаксационных потерях в жидком диэлектрике возрастает с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится достаточно велика, дипольные молекулы не успевают ориентироваться в направлении поля, и    падает, диэлектрические потери уменьшаются.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от строения молекул. В неполярных диэлектриках с дисперсионной связью (связь Ван-дер-Ваальса)  мал, определяется в основном электропроводностью и имеет величину порядка . Это – такие диэлектрики, как сера, парафин, полимеры и другие. В технических материалах с полярными молекулами и дипольно-релаксационной поляризацией диэлектрические потери значительные. Явления электропроводности и поляризации повышают  до значений . К таким диэлектрикам можно отнести: целлюлозосодержащие материалы, материалы со стекловидной фазой и органические стекла; полиамиды (капрон и др.); каучуковые материалы (эбонит) и другие.

В диэлектриках ионной структуры мощность потерь зависит от особенностей упаковки ионов в кристаллической решетке. В веществах с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих кристаллическую решетку, диэлектрические потери малы и ≈ 0, 001. При достаточно высоких температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К таким веществам относятся многочисленные неорганические кристаллические соединения, например, керамические материалы, корунд, каменная соль. Проявление релаксационных поляризаций в материалах с неплотной упаковкой ионов значительно повышает  до значений . Термическая обработка (обжиг, закалка) стекла снижает .

Сегнетоэлектрики и сложные, неоднородной структуры диэлектрики характеризуются более высокими диэлектрическими потерями,  имеет величину порядка . Здесь, наряду с электропроводностью, проявляется длительная спонтанная или миграционная поляризации. Если в структуре сложной композиции имеются газовые включения, то могут появиться и ионизационные потери. Поэтому для композиционных, слоистых и сложных диэлектриков возможна комбинация явлений: электропроводность и поляризация; электропроводность, поляризация и ионизация; электропроводность и ионизация, которые обуславливают большие значения .

 

     1.9. Факторы, влияющие на диэлектрические потери

Температурная и частотная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь приведены на рис. 1.14 и 1.15.

Температура. Повышение температуры вызывает рост , если потери обусловлены электропроводимостью, т. к. при нагревании диэлектрика возрастает интенсивность смещения или перемещения зарядов (кривая 1 рис. 1.14). Если потери обусловлены поляризацией, то при росте температуры  проходит через максимум. Это объясняется тем, что при низких температурах вязкость велика и потери малы, а при высоких температурах вязкость мала и диполи смещаются, не испытывая трения (кривая 2 рис. 1.14). При наличии двух видов потерь, результирующие потери определяются сложной кривой 3 рис. 1.14.

Частота. Увеличение частоты вызывает снижение , если потери обусловлены электропроводимостью (кривая 1   рис. 1.15). В этом случае активная составляющая тока, вызванная утечкой через диэлектрик, не меняется с  изменением частоты, а реактивная составляющая (емкостной ток) растет пропорционально частоте, поэтому отношение активного тока к реактивному, т.е. , будет снижаться с увеличением частоты. Если потери вызваны поляризацией,   будет иметь максимум (кривая 2 рис. 1.15). При низких частотах потери малы, т. к. энергия колебаний диполей пропорциональна квадрату частоты изменения электрического поля. При больших частотах диполи и ионы не успевают поворачиваться или смещаться вслед за изменением электрического поля, поэтому потери малы. В сложных диэлектриках существуют потери обоих типов, поэтому  получается путем суммирования потерь обоих типов (кривая 3 рис. 1.15). Следовательно,  с увеличением частоты падает, однако, это не означает, что активные потери снижаются, т. к.

                                                          (1.9.1)

С ростом частоты активные потери увеличиваются.

 Влажность. Появление влаги в любом агрегатном состоянии (эмульгированное, молекулярнорастворимое или газообразное) вызывает рост . Это объясняется тем, что у большинства диэлектриков при увлажнении снижается удельное сопротивление, т.е. увеличивается проводимость.

Напряженность электрического поля. Если потери обусловлены ионизацией, то  увеличивается с ростом электрического напряжения. При отсутствии газовых включений  не зависит от напряжения U. Поэтому кривая зависимости = f(U) позволяет установить, есть ли газовые включения в изоляции.

 

         1.10. Пробой диэлектриков

     Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность электрического поля превысит некоторое критическое значение. При этом разрушаются межмолекулярные связи и диэлектрик приобретает электропроводимость.. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению – электрической прочностью диэлектрика. Пробой (длительный или кратковременный) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

                         ,                                 (1.10.1)

где  – электрическая прочность диэлектрика; – пробивное напряжение; h – толщина диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах.

Прохождение тока через изоляцию представлено на рис. 1.16. Точка «n» на графике, для которой , соответствует пробою. Дальнейшие явления в диэлектрике после пробоя определяются характером   электротехнического материала и мощностью источника. В месте пробоя возникает искра или дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание или разложение (для полимеров) как диэлектрика, так и электродов. После снятия напряжения просматривается след в твердом диэлектрике в виде пробитого, проплавленного или прожженного отверстия. Для электрических аппаратов пробой изоляции, как правило, явление аварийного характера, выводящее их из строя и требующее ремонта или замены.

Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства. При этом значение пробивного напряжения , длительность и величина электрической дуги должны быть относительно малы, чтобы не вызвать необратимые изменения в диэлектрике или в токопроводящих частях аппарата.

Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если расстояние между ближайшими точками электродов на поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по толщине изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой – перекрытие изоляции, т.е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха.

По физической природе различают несколько видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:

1) электрический;

2) электротепловой;

3) электромеханический;

4) электрохимический;

5) ионизационный.

В общем случае чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика. Такой пробой развивается практически мгновенно. Поэтому, если пробой не произошел сразу после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле длительно.

Электротепловой пробой (тепловой) связан с нагревом изоляции в электрическом поле и диэлектрическими потерями. Развитие теплового пробоя идет по следующей схеме. При некоторой разности потенциалов на электродах в диэлектрике за счет активных потерь выделяется тепловая энергия, его температура повышается, увеличиваются потери и процесс продолжается до тех пор, пока диэлектрик не оплавится или произойдет его обугливание и его собственная электрическая прочность упадет до такой величины, что произойдет пробой диэлектрика. Тепловой пробой, так же как и электрический, может быть местным. Если удельная активная проводимость диэлектрика мала и температурный коэффициент  невелик, то при хороших условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении. При тепловом пробое зависит от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при значительных частотах и при повышении температуры.

Электромеханический пробой обусловлен механическим разрушением и образованием микротрещин под действием электрического поля и механического давления электродов.

Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося пробоя, вызванного химическим изменением материала под действием электрического поля. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является необратимым.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах в газе, а также эрозией диэлектрика.

  Пробой в газах – распространенный пробой, т.к. во многих электрических аппаратах, на линиях электропередач внешней изоляцией служит воздух или какой-нибудь газ. Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в сравнении с жидкостью и твердым диэлектриком. Явление пробоя газа зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой. Пробой газа в однородном поле – явление менее распространенное, чем пробой газа в неоднородном поле. Особенностью пробоя в неоднородном электрическом поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах наибольшей напряженности поля, достигающих критических значений. Если напряжение будет возрастать,  корона может перейти в искровой разряд или дугу.

Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в газе, значениях пробивного напряжения. Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах. Пробой технических жидкостей может быть связан с газовыми включениями, что вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей к образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также сильно снижает электрическую прочность.

Пробой твердых диэлектриков может быть любой из четырех видов, в зависимости от характера электрического поля, структуры диэлектрика, наличия дефектов, условий его охлаждения и времени воздействия на него напряжения. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков – это чисто электронный пробой, время развития которого составляет с. Чисто электрический пробой наблюдается, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь и отсутствует ионизация газовых включений.

Низкая электрическая прочность наблюдается у диэлектриков с открытыми порами (дерева, бумаги, неглазурованной керамики) и мало отличается от газов. Для диэлектриков с закрытыми порами – плотной бумаги, глазурованной керамики – характерна высокая электрическая прочность.

Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, зависит от частоты электрического поля, условий охлаждения диэлектрика, температуры окружающей среды. С повышением температуры электрическая прочность уменьшается.

Для однородных плоских диэлектриков существует приближенный метод расчета пробивного напряжения.
В однородных диэлектриках, когда преобладают потери от сквозной электропроводности, тангенс угла диэлектрических потерь зависит от температуры по экспоненциальному закону:

                    .                       (1.10.2)

 Используя выражение  для диэлектрических потерь, после преобразований получим:

      ,                 (1.10.3)

где – тангенс угла потерь диэлектрика, t₀ – температура окружающей среды; e – диэлектрическая проницаемость материала; S – площадь электрода; U – приложенное напряжение; f – частота; a – температурный коэффициент тангенса угла потерь; t – температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; t₀ – температура электродов, приблизительно равная температуре окружающей среды; h – толщина диэлектрика.

 Теплопроводность материала электродов обычно намного больше, чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой Ньютона:

                              ,                     (1.10.4)  где s – коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов. При тепловом равновесии выполняется уравнение

                               .                            (1.10.5)

Если скорость выделения тепла из-за диэлектрических потерь превысит отвод теплоты из системы диэлектрик - металл, т.е. 

                         ,                              (1.10.6)

возникает неустойчивый тепловой режим. Минимальное напряжение, соответствующее этому режиму, можно принять за напряжение пробоя . Решая систему уравнений (1.10.2) – (1.10.5) относительно напряжения, находим:

.                     (1.10.7)

Отсюда следует, что пробивное напряжение будет выше, если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше. Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным. В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика, а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного.

ПРОВОДНИКИ

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: