Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы». 3 страница

Следует отметить, что диэлектрические потери в любыхматериалах зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерьявляется характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материалане только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей. Как правило, потери имеют максимум при одной или нескольких частотах, в зависимости от типа молекул. Положение максимумов характеризуется собственными частотами установления поляризации.Они могут быть связаны с поворотом полярных молекул в жидком диэлектрике или споворотом домена в сегнетоэлектрике.

Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости.

С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной и эмульгированной воды.

Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgδ, что объясняется ростом электропроводности.

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

1.диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

2.диэлектрические потери сквозной электропроводности;

3.ионизационные диэлектрические потери;

4.диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Рассмотрим каждый вид диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

2.3.1. Релаксационные диэлектрические потери. ▲

Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. В температурной зависимости tg угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается max при некоторой t°, характерной для данного вещества. При этой t° время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного I. Если t° такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного U, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если t° такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения U, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках связаны с явлением спонтаннойполяризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при t° ниже точки Кюри, когда имеет место спонтанная поляризация. При t° выше точки Кюри потери уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля. Так же эти потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgd характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае t на положение max не влияет.

2.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью. ▲

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае может быть вычислен по формуле:

, (2.23)

где f - в Гц и r - в Ом× м.

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Рис. 2.7. Зависимость tgd от частоты f и температуры Т.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: , где A, b - постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: , где P_t - потери при температуре t° С, Р₀ - потери при температуре 0°С, d - постоянная материала, tgd в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь.

2.3.3. Ионизационные диэлектрические потери. ▲

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием вещества.

2.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. ▲

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды - миканитах, микалексе и т.д. Ввиду разнообразия структуры однообразных неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае. Для наглядности основные сведения об особенностях различных видов диэлектрических потерь сведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Классификация потерь в диэлектриках.

2.3.5. Диэлектрические потери в газах. ▲

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимо для развития ударной ионизации молекул газа, очень мала. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, т.к. ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.

Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет мал, особенно при высоких частотах.

Удельное объемное сопротивление газов - порядка 10¹⁶ Ом× м, e» 1 и tgd при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 4× 10^-8. При высоких U и в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.

Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле:

, (2. 24)

где А₁ - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, U_и - напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при U > U_и и линейной зависимости tgd от Е. Ионизационное U_и зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина U_и возрастает.

При U_и начинается ионизация газа в порах и tgd заметно возрастает. При U₁, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tgd уменьшается.

Кривую tgd = f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что явление может повести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U_и.

Рис 2.7. Изменение tgd в зависимости от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями.

Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

На линиях электропередачи высокого U потери на изоляцию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают КПД линии.

2.3.6 Диэлектрические потери в жидкостях. ▲

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных частот жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого очень мал и может быть рассчитан по формуле:

, (2.25)

где f - в Гц и r - в Ом× м.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью.

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).

У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно проявляется зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре 10^-10–10^{-11 См}× м^-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери и называют дипольно-релаксационными. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации.

Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Р_а становятся постоянными в соответствии с формулой: , где Р_а - Вт, U - в В, w - в с^-1, С - фарадах.

Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Р_а от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tgd.

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения e и tgd для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц.

Трансформаторное масло e = 2, 3; tgd = 0, 001;

Совол e = 5; tgd = 0, 02;

Как видно, tgd диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола.

2.3.7 Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. ▲

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Их можно подразделить на четыре группы:

1. диэлектрики молекулярной структуры;

2. диэлектрики ионной структуры;

3. диэлектрики сегнетоэлектрики;

4. диэлектрики неоднородной структуры.

Рассмотрим диэлектрики первой группы, т.е. молекулярной структуры. Эти потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные примеси - полиэтен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (картон и др.) и полиуританы, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) - и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаруживаются max или min потерь; возрастание потерь после min объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Такую зависимость можно отобразить в виде графика, в частном случае для бумаги.

Диэлектрики ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al₂O₃), входящий в состав ультрафарфора. Примером такого соединения является каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2 -3 порядка) увеличивают диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tgd не зависит от частоты);

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tgd уменьшается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры стекла. Термическая обработка - отжиг или закалка - заметно влияют на угол диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры.

Таблица 2.2 - Влияние термической обработки на tgd потерь стекол при

20°С и f = 1 МГц.

В таблице 2.2 показана зависимость tgd потерь некоторых стекол от способа их термической обработки. Потери второго вида вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери проявляются обычно при t выше 50-100°С.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетодиэлектриков является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с t в области самопроизвольной поляризации и редко падают при t выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает.

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры, к ним относятся неоднородные диэлектрики, т.е. керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В его составе различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах). Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фазы и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при U поля вследствие развития ионизации.

В современной электроизоляционной технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием ценных отходов (слюдяные материалы).

2.4 Пробой диэлектриков. ▲

2.4.1. Общая характеристика пробоя. ▲

Пробой диэлектрика – это явление, когда диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Е_пр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (U_пр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя Е_пр = U_пр/h, где h – толщина диэлектрика.

Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.

Существует несколько разновидностей пробоя:

Электрический пробой возникает тогда, когда некоторое количество носителей зарядов, ускоренных электрическим полем, приобретает энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Это приводит к появлению новых носителей заряда, которые также ускоряются полем, и в итоге возникает лавинообразный процесс увеличения тока, который развивается в течение 10^-7 — 10^-5 с. Этот процесс обычно локализован в узкой области диэлектрика, поэтому следствием его является появление разрядного канала, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика.

Тепловой пробой возникает тогда, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, будет больше количества теплоты, отводимой от него в окружающую среду. В результате происходит нагрев диэлектрика, приводящий к его расплавлению или обугливанию.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии напряжения и может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля.

Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.

2.4.2. Пробой газов. ▲

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию W = q·U_λ , где q – заряд, U_λ – падение напряжения на длине свободного пробега λ.

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является W ≥ W_и.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.

Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.

Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.

Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.2.8.

Рис.2.8. Зависимость электрической прочности газа от давления.

В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

2.4.3. Пробой жидких диэлектриков. ▲

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

2.4.4. Пробой твердых диэлектриков. ▲

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3. тепловой (электротепловой) пробой;

4. электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7 – 10^-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:

U²ω Ctgδ (Т) = σ S(T_раб – T₀), (2.26)

где U – напряжение, В; U²ω C– реактивная мощность, В·А; ω – угловая частота, с^-1; С – емкость изолятора, Ф; tgδ – тангенс угла потерь при рабочей температуре; σ – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К; S – площадь поверхности изолятора, м²; T_раб и T₀ – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.