Виды диэлектрических потерь

Существует четыре основных вида диэлектрических потерь.

Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой ионов). В сегнетоэлектриках потери связаны с наличием спонтанной поляризации. К этому же виду потерь относят резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Характерны для диэлектриков, имеющих поверхностную или объёмную электропроводности (большие значения). Эти потери не зависят от частоты и увеличиваются с повышением температуры.

Ионизационные потери. Характерны для газообразных диэлектриков. Проявляются при напряжённостях поля, превышающих значение напряжённости, при котором начинается ионизация газа.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры диэлектрика. Проявляются в слоистых диэлектриках, пластмассах с наполнителем, керамике, Зависит от состава диэлектрика.

Диэлектрические потери в газах. Источником диэлектрических потерь в газе в основном может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. При напряжённости поля ниже того значения, при котором начинается ионизация газа, диэлектрические потери незначительны. На рисунке 1.19 показана зависимость tg  от напряжения для диэлектрика с газовыми включениями. При напряжённости поля выше точки ионизации «С» начинается ионизация. Молекулы газа ионизируются и растут потери на ионизацию, достигая максимума при напряжении U_max≈2U_и. При напряжении пробоя U_max все воздушные включения ионизированы и энергия на ионизацию новых включений не требуется, tg d уменьшается.

Ионизация газа, заполняющего поры твёрдого диэлектрика, может привести к разогреву и разрушению изделий, включающих газовые включения (особенно это касается керамики). Ионизация воздуха происходит с выделением озона и оксидов азота, что ведёт к химическому разрушению твёрдой изоляции, содержащей газовые включения.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В жидких неполярных диэлектриках диэлектрические потери вызваны электропроводностью, поэтому они определяются сквозным током, значение которого зависит от удельной проводимости. С ростом температуры удельная проводимость экспоненциально возрастает, следовательно, возрастают и диэлектрические потери.

С ростом частоты в неполярных диэлектриках ёмкостной ток, протекающий через диэлектрик, возрастает, сквозной ток остаётся без изменений, следовательно, с ростом частоты диэлектрические потери падают. Для полярных диэлектриков (совол) диэлектрические потери вызваны электропроводностью и поляризацией, которые обуславливают значение сквозных токов и токов абсорбции. При низких температурах вязкость диэлектриков настолько велика, что диполи не могут ориентироваться по полю (“заморожены”). Проводимость жидкости мала, поэтому малы значения сквозных токов и токов абсорбции, следовательно и потери малы (видно на графике рис.1.20). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше, и они участвуют в поляризации. Так как ориентация молекул происходит с трением, то на работу, затрачиваемую для этого, идёт энергия, которая и рассеивается в диэлектрике. При этом возрастает активная составляющая тока абсорбции. При определённой температуре вязкость жидкости уменьшается до того значения, при котором диполи поворачиваются на максимальный угол и становятся противоположно ориентированными полю, при этом tg  (диэлектрические потери) максимальные.

При дальнейшем повышении температуры тепловое движение дезориентируется, то есть диэлектрические потери уменьшаются. Дальнейшее повышение температуры вызывает рост проводимости жидкого диэлектрика, при этом возрастает сквозной ток, следовательно, возрастают и потери. На низких частотах диэлектрические потери в полярных диэлектриках определяются электропроводностью, то есть не изменяющимся со временем сквозным током. Диэлектрические потери, вызываемые током абсорбции в этом случае малы, так как число поворотов диполей в единицу времени мало. При повышение частоты повышается реактивная составляющая тока, и диэлектрические потери уменьшаются, вплоть до минимума. С ростом частоты увеличивается число поворотов диполей, возрастают потери вызванные током абсорбции, потери достигают своего максимума. При дальнейшем росте частоты для поворота диполей становится недостаточно времени, ток абсорбции уменьшается, и с ним уменьшаются диэлектрические потери, вплоть до минимальных.

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках зависят от структуры, от строения диэлектрика и его состава.

Диэлектрические потери в диэлектриках с молекулярной структурой зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают малыми диэлектрическими потерями (церезин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен фторопласт 4).

Твёрдые диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами - это материалы на основе целлюлозы(бумага, картон), полярные полимеры, (полиметилметакрилат, фенолформальдегидные смолы). Они обладают высокими потерями, зависящими от температуры, которые обусловлены дипольно-релаксационной поляризацией.

Значение диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков с ионной структурой зависит от упаковки ионов кристаллической решётки. У диэлектриков с плотной упаковкой ионов без примесей диэлектрические потери незначительны, но с повышением температуры в таких диэлектриках возникают потери, связанные с электропроводностью (корунд ). Но при небольших количествах примесей диэлектрические потери резко увеличиваются. Вещества с неплотной упаковкой ионов (муллит, кордеирит, -глинозем). В этих веществах диэлектрические потери высоки, вызваны наличием релаксационной поляризации.

Диэлектрические потери в аморфных диэлектриках ионной структуры (неорганические стёкла). Потери связаны с электропроводностью и поляризациями. Возможны два варианта потерь:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте. Они обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Для снижения потерь производят термическую обработку – отжиг или закалку – для изменения структуры стекла.

б) потери, заметно возрастающие с температурой по экспоненциальному закону и мало зависящие от частоты. Эти потери вызываются передвижением слабосвязанных ионов. Обусловлены электропроводностью, появляются при температурах 50 ^оС - 100^оС. Чем большую электропроводность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов вызывает значительное повышение диэлектрических потерь (рис.1.21). Введение тяжелых оксидов снижает диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в твёрдых неоднородных диэлектриках. К ним принадлежат материалы, в состав которых входит не менее 2-х компонентов (керамика, слюда, пропитанная бумага). Потери зависят от химического состава компонентов, входящих в диэлектрик, от количественного соотношения и остаточных воздушных включений. Так, зависимость tg  от температуры для бумаги, пропитанной компаундом (рис.1.22), имеет два максимума: первый характеризует дипольно-радикальные потери самой бумаги, второй обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

У сегнетоэлектриков диэлектрические потери вызваны спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Выше точки Кюри (125°) диэлектрические потери (tg d) падают, а до этого достаточно высоки. Изменения tg d от температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твёрдых полярных диэлектриков.

 

 

Лекция № 4

Пробой диэлектриков

Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев. Причины возникновения пробоев. Электрическая прочность. Принципиальная схема установки для определения электрической прочности диэлектриков. Пробой газообразных диэлектриков диэлектриков. Пробой газа в однородном поле. Пробой газа в неоднородном поле

Пробой жидких диэлектриков. Теория теплового пробоя. Теория электрического пробоя. Способ определения электрической прочности жидких диэлектриков. Зависимость электрической прочности от различных факторов. Мероприятия по повышению электрической прочности жидких диэлектриков в электроустановках.

Пробой твёрдых диэлектриков. Электрический пробой. Электротепловой пробой. Ионизационный пробой. Электрохимический пробой. Электромеханический пробой. Электротермомеханический пробой. Влияния различных факторов на величину пробивного напряжения и электрическую прочность диэлектриков.

 

Пробой диэлектриков – это потеря диэлектриком электроизоляционных свойств при напряженности поля, превышающей некоторое критическое значение. При пробое происходит резкое увеличение плотности тока и снижение сопротивления, что приводит к короткому замыканию. Выделяют пробой твёрдого однородного (неоднородного) диэлектрика, пробой жидкостей и пробой газов. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называетсяпробивным напряжением. Для газов пробивным напряжением является его амплитудное значение

U_пр = U_ампл = √2U_действ

Для жидкостей и твёрдых диэлектриков это действующее напряжение

U_пр = U_действ.

Напряжённость поля, соответствующая пробивному напряжению, называется электрической прочностью диэлектрика:

E_пр =, [кВ/м].

В месте пробоя, в зависимости от подаваемого напряжения, может образоваться искра, дуга, оплавление, обгорание или растрескивание.

В пробитом твёрдом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если к такому образцу твёрдой изоляции приложить повторно напряжение, то пробой произойдёт под напряжением, меньшим U_пр первого пробоя, то есть U_пр1 > U_пр2. При пробое газов пробитый промежуток мгновенно восстанавливается, то есть U_пр1 = U_пр2. При пробое твёрдых диэлектриков U_пр1 > U_пр2. В месте пробоя в зависимости подаваемого напряжения может образоваться искра, дуга, оплавление, обгорание или растрескивание. Испытания диэлектриков на электрический пробой и на определение электрической прочности производят на испытательных стендах.

Различают следующие механизмы пробоя.

Электрический пробой. В процессе этого пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды атомов, молекул диэлектрика. Протекает мгновенно, вызывается ударной ионизацией электронами. Если энергии электронов достаточно для ионизации, то электроны при соударении с атомами ионизируют их, в результате чего появляются новые электроны, таким образом, число электронов лавинно нарастает, что приводит к резкому увеличению проводимости и электрическому пробою.

Электротепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяемое диэлектриком за счёт диэлектрических потерь, превышает то количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях. В результате нарушается тепловое равновесие. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температуры, при которой происходит либо обугливание или расплавление материала. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от частоты, температуры окружающей среды, от условий охлаждения, от нагревостойкости материала и толщины диэлектрика. При увеличении толщины диэлектрика напряжение пробоя снижается за счёт ухудшения теплоотвода от средних частей диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава структуры диэлектрика. Этот пробой развивается при действии электрического поля в условиях высокой температуры и высокой влажности. Наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении. При высокой частоте электрохимический пробой происходит в результате ионизации газа, сопровождаемой тепловым эффектом. При низкой частоте в диэлектрике происходит необратимое уменьшение сопротивления изоляции, что приводит к пробою. Для развития электрохимического пробоя требуется время.

Ионизационный пробой. Ионизационный пробой развивается в результате действия на диэлектрик частичных разрядов. Полимерные диэлектрики под действием этих разрядов окисляются, образующиеся ионы бомбардируют стенки пор изоляции, что приводит к механическим разрушениям, образующиеся при этом оксиды азота и озон химически разрушают полимер, что и приводит к пробою. Для развития ионизационного пробоя требуется время.

Электромеханический пробой. Электромеханический пробой характерен для полимерных диэлектриков, находящихся в высокоэластичном состоянии при высоких температурах. Под действием электростатического притяжения, возникающего между электродами при высоком напряжении, происходит механическое сдавливание диэлектрика, что ведёт к уменьшению его толщины. При достижении критической деформации происходит механическое разрушение и пробой диэлектрика. Для развития электромеханического пробоя также требуется время.

Электротермомеханический пробой.Электротермомеханический пробой является разновидностью электрического и теплового пробоя, наблюдается в хрупких диэлектриках, содержащих поры. В процессе ионизации газовых вклю­чений пор образуются перегретые слои диэлектрика, их тепловое расширение больше, чем менее нагретых слоёв, в результате в диэлектрике образуются меха­нические напряжения, которые приводят к микротрещинам и механическому раз­рушению диэлектрика, дальше к пробою. Для развития электротермомеханического пробоя требуется время. В пробитом твёрдом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если к такому образцу твёрдой изоляции приложить повторно напряжение, то пробой произойдёт под напряжением, меньшим U_пр первого пробоя, то есть U_пр1 > U_пр2. При пробое газов пробитый промежуток мгновенно восстанавливается, то есть U_пр1 = U_пр2. При пробое твёрдых диэлектриков U_пр1 > U_пр2. В месте пробоя в зависимости подаваемого напряжения может образоваться искра,дуга, оплавление, обгорание или растрескивание.

Испытания диэлектриков на электрический пробой и на определение электрической прочности производят на испытательных стендах (рис.1.23).

Установка состоит из испытательного трансформатора (Т), предназначенного для повышения напряжения. Напряжение на низковольтном трансформаторе изменяется с помощью автотрансформатора (АТ). Образец 2 с помощью электродов 1 и 3 подключен к высоковольтной стороне трансформатора. Защитный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора. Напряжение пробоя измеряется вольтметром (V) ,ток контролируется с помощью миллиамперметра (mА). Так как напряжение достаточно высокое и опасное, то основная часть помещена в защитный контур. Сигнальная лампочка указывает на включение и отключения установки.

Для определения прочности жидких диэлектриков используют специальные ячейки (рис.1.24), выполненные из стекла, фарфора, либо специальных пластмасс, которые не реагируют с испытуемой жидкостью. Электроды выполняют из латуни. Для определения электрической прочности жидкого диэлектрика при постоянном напряжении в цепь высокого напряжения включают высоковольтный диод и конденсатор для сглаживания пульсации тока.