Основные теоретические положения

Диэлектрики, при приложении напряжения, не должны пропускать электрический ток (т.е. удельное сопротивление их должно быть бесконечно большим) поскольку, чем больше удельное сопротивление - тем выше качество электроизоляционного материала. Однако все практически применяемые технические диэлектрики пропускают некоторый, обычно незначительный, ток называемый током утечки . Этот ток представляет собой сумму 2-х токов: сквозного тока  и тока абсорбции :

.

 

 Сквозной ток  представляет собой направленное перемещение, под действием приложенного напряжения, свободных заряженных частиц и обусловлен, главным образом, передвижением ионов. У некоторых материалов при определенных условиях он может быть вызван, также, наличием свободных электронов (электронная проводимость наиболее заметна при сильных электрических полях). Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды, а при электронной электропроводности это явление не наблюдается.

Величина в сильной степени зависит от качества изоляционного материала и наличия в нем примесей. Очень малые количества примесей заметно влияют на электропроводность, поэтому в процессе производства электроизоляционных материалов важна исключительная чистота исходных материалов и технологических процессов.

Ток абсорбции можно представить как результат протекающих в диэлектрике медленных видов поляризации (ограниченного смещения связанных зарядов или ориентации дипольных молекул):

,

где - активная составляющая тока, обусловленная -м видом поляризации,  - количество медленных видов поляризации в рассматриваемом диэлектрике.

При работе диэлектрика на постоянном напряжении поляризационные токи (называемые также токами абсорбции ) протекают лишь в короткие промежутки времени после включения и выключения напряжения (рис. 1). У большинства диэлектриков время существования тока абсорбции не превышает долей секунды, но в некоторых случаях оно может достигать десятков секунд и больше. На практике, в ходе электрических измерений, время протекания поляризационных процессов принимают равным одной минуте, после чего считается, что в диэлектрике остается лишь .

При переменном напряжении ток в диэлектрике обычно на несколько порядков превышает ток сквозной электропроводности ( ), так как при изменении полярности приложенного напряжения основную роль играют поляризационные процессы (). Вследствие этого может создаться ошибочное представление о высокой проводимости изоляционного материала. Чтобы это исключить, в большинстве инженерных задач измерение сопротивления изоляции проводят на постоянном напряжении.

 

 

 

Рис. 1. Зависимость тока утечки от времени воздействия постоянного напряжения.

 

Иногда, если диэлектрик длительно находится под напряжением, то ток утечки  с течением времени может уменьшаться или увеличиваться (рис. 1, кривые 1, 2). Уменьшение тока утечки (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность материала была в большой степени обусловлена ионами посторонних примесей, которые нейтрализовались вблизи электродов. Это явление носит название электрической очистки образца. Увеличение тока со временем (кривая 2) свидетельствует об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в диэлектрике необратимом процессе электрического старения, которое постепенно может привести к разрушению диэлектрика - его пробою.

Поскольку измерить поляризационные токи практически трудно, сопротивление изоляции обычно рассчитывают как частное от деления напряжения на величину тока, измеренную через 1 минуту после подачи на образец постоянного напряжения.

 

        

где  - приложенное постоянное напряжение.

Если включить твердый диэлектрик в электрическую цепь (рис. 2), то сквозной ток будет протекать как по объему диэлектрика (), так и по его поверхности (), в соответствии с чем можно рассматривать объемную и поверхностную электропроводности. Объемная электропроводность определяется концентрацией примесей в самом диэлектрике, в то время как поверхностная будет зависеть от чистоты поверхности диэлектрика и наличия на ней пыли, грязи и влаги.

Величина электропроводности (или обратная ей величина – сопротивление ( ^, ) является одним из важнейших показателей качества электроизоляционных материалов. Для количественной оценки электропроводности различных материалов введены понятия удельного объемного сопротивления и удельного поверхностного сопротивления .

 

а)                                     б)

Рис. 2. Твердый диэлектрик под напряжением (а) и его эквивалентная схема (б).

 

Удельное объемное сопротивление  равно отношению напряженности постоянного электрического поля к плотности тока, проходящего через объем образца изоляционного материала, и измеряется в .

Для плоского образца любого размера удельное объемное сопротивление

, ,

где  - напряженность поля, ;

 - объемная плотность тока, ;

 - объемное сопротивление образца, ;

 - площадь электродов, ;

 - толщина образца, .

Удельное поверхностное сопротивление  равно отношению напряженности постоянного электрического поля к току на единицу длины поверхности образца материала и выражается в Омах.

, ,

где  - поверхностное сопротивление образца материала (2) рис. 3 между параллельно расположенными на его поверхности электродами (1) длиной , находящимися на расстоянии  друг от друга.

 

Рис. 3. Размещение электродов на образце при изменении .

 

Численно удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению участка поверхности диэлектрика в виде квадрата любых размеров, если ток проходит через электроды, ограничивающие две противоположные стороны этого квадрата.

Полное сопротивление изоляции  определяется как результирующее двух сопротивлений - поверхностного и объемного:

.

Объемное и поверхностное сопротивления определяют измеряемый ток, протекающий через образец, при известной разности потенциалов между электродами.

 

Зависимость сопротивления диэлектриков от температуры

 

С повышением температуры удельное объемное сопротивление твердых и жидких диэлектриков заметно уменьшается согласно экспоненциальному закону:

,

где B и b – постоянные, характерные для данного материала;

e – основание натурального логарифма;

T – абсолютная температура.

Для технических расчетов чаще пользуются формулой, в которую вместо абсолютной температуры T введена температура по стоградусной шкале:

где  - удельное объемное сопротивление при температуре t = 0 °С,

 - температурный коэффициент удельного сопротивления, град^-1;

t – температура, °С.

Уменьшение сопротивления диэлектриков при их нагревании объясняется увеличением как числа свободных ионов в единице объема диэлектрика за счет теплового движения частиц, так и ростом их подвижности. Для твердых диэлектриков при этом основную роль играет первый процесс: увеличение числа носителей тока. При низких температурах даже плохие диэлектрики приобретают высокие значения,  так, при -100 °С водяной лед становится неплохим диэлектриком.

 

Зависимость сопротивления диэлектриков от влажности

 

Все вещества в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать влагу из воздуха, содержащего водяные пары. Наличие влаги резко уменьшает сопротивление диэлектриков, так как имеющиеся в воде примеси диссоциируют (распадаются) на ионы и присутствие воды, характеризующейся большой величиной диэлектрической проницаемости, может способствовать диссоциации молекул самого вещества.

Особенно сильно влияет влага на гигроскопичные пористые волокнистые материалы, в которых она может образовывать сплошные пленки - "мостики" - пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до другого.

Для защиты от действия влаги все гигроскопичные материалы после сушки пропитывают или покрывают негигроскопичными лаками, компаундами и т.д. Следует иметь в виду, что пропитка волокнистых материалов лишь замедляет поглощение влаги и изменение электрических свойств и для сохранения высоких изоляционных свойств необходима защита от увлажнения (герметизация).

 

Зависимость сопротивления диэлектриков от величины приложенного напряжения

 

С увеличением напряжения сопротивление диэлектриков в некотором диапазоне напряжений или практически не изменяется (для диэлектриков с высокими изоляционными свойствами) или уменьшается (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Зависимость  шифера от величины приложенного к образцу напряжения.

 

Уменьшение сопротивления в относительно слабых полях связано с образованием объемных зарядов в диэлектрике, с перераспределением влаги в порах диэлектрика, с влиянием контактов с электродами, а в более сильных полях - с увеличением подвижности ионов с ростом напряженности электрического поля, а также вырыванием электронов силами поля из частиц диэлектрика и электродов, что создает в диэлектрике дополнительную электропроводность электронного характера. Зависимость сопротивления диэлектриков от величины приложенного напряжения имеет существенное практическое значение, так как при измерении сопротивления при напряжении ниже рабочего можно получить завышенную величину сопротивления.

 

Зависимость поверхностного сопротивления диэлектриков от различных факторов

 

Поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, чище поверхность диэлектрика и лучше отполирована.

Как правило, диэлектрики нейтрального строения (парафин, полистирол, фторопласт-4 и др.) слабо абсорбируют влагу, в связи с чем их удельное поверхностное сопротивления практически не зависит от относительной влажности вплоть до весьма высоких ее значений. Если поверхность диэлектриков шероховата, то в связи с удержанием ею пыли, осевшей из воздуха, или других случайно попавших частиц поверхностное сопротивление будет значительно снижено. Поэтому для увеличения поверхностного сопротивления твердых диэлектриков, особенно при работе на открытом воздухе, их поверхность обычно шлифуется, лакируется, покрывается глазурью и т.д.

В тех случаях, когда гигроскопичные и диссоциирующие на ионы вещества не являются составной частью самого диэлектрика, а обусловлены загрязнением его поверхности, величину поверхностного сопротивления можно повысить очисткой поверхности прокаливанием, кипячением в дистиллированной воде (для нерастворимых диэлектриков) и т.д.

Описание установки

Удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления обычно определяют на одном и том же образце, снабженном тремя электродами. Форма и расположение этих электродов для случая плоского образца показаны на рис. 5.

 

Рис. 5. Схема расположения круглых электродов для измерения удельных сопротивлений плоского образца диэлектрика.

 

Верхний дисковый электрод А имеет диаметр d₁, внутренний диаметр кольцевого электрода В – d₂. Диаметр нижнего электрода С примерно равен наружному диаметру кольцевого электрода. При измерении объемного сопротивления образца следует измерять ток, проходящий сквозь толщу образца между верхним и нижним дисковым электродами А и С, а при измерении поверхностного сопротивления ток, проходящий через поверхностный слой образца, расположенный в кольцевом зазоре между электродами А и B. Удельные сопротивления диэлектриков принято определять при постоянном напряжении, для чего существуют paзличные методы.

Испытания материалов с удельным объемным сопротивлением примерно до 10¹³ – 10¹⁵ Ом × см обычно производят с помощью зеркального гальванометра способом непосредственного отклонения заряда конденсатора и сравнения. Для исследования диэлектриков с более высокими характеристиками чаще всего применяют высокоточные приборы - тераомметры. В настоящей работе используется широко распространенный метод непосредственного отклонения. Схема измерения объемного сопротивления плоского образца диэлектрика по этому методу представлена на рис. 6.

Ток от источника высокого напряжения пропускается сквозь толщу образца между нижним дисковым (высоковольтным) электродом С и верхним дисковым (измерительным) электродом А и измеряется гальванометром, снабженным универсальным шунтом для расширения пределов измерения тока. Различным положениям переключателя шунта соответствуют шунтовые числа   в пределах от 1:10000 до 1:1. Шунтовое число показывает, какая доля протекающего через образец тока ответвляется в гальванометр. Ток через гальванометр

,

где  - отклонение “зайчика” гальванометра в мм шкалы;  

 - динамическая постоянная гальванометра (цена 1 деления шкалы), А/мм.

Ток в образце будет в n раз больше:

.

Этот ток является объемным током утечки, так как поверхностный ток утечки с электрода С не попадает на электрод А - он собирается кольцевым электродом В, выполняющим роль охранного кольца (электрода), и отводится на землю, минуя гальванометр. Охранный электрод, имея практически тот же потенциал, что и измерительный электрод А, способствует устранению краевого эффекта у этого электрода и тем самым созданию практически однородного электрического поля в образце между электродами А и С.

 

Рис. 6. Схема измерения удельного объемного сопротивления образца диэлектрика.

 

Зная приложенное к образцу напряжение U (в вольтах), можно определить объемное сопротивление образца:

,

где  - удельное объемное сопротивление, Ом×м;

h – толщина образца, м;

S – площадь электрода A, м².

Выражая S через диаметр электрода , получим окончательную формулу для определения величины объемного удельного сопротивления испытуемого образца

, Ом×м.

 

Схему измерения поверхностного сопротивления плоского образца (рис. 7) от предыдущей схемы отличает способ включения образца. Если электрод А опять является измерительным, т.е. остается соединенным с гальванометром, то другие электроды поменялись ролями: кольцевой электрод В стал высоковольтным, а электрод С - охранным. При этом гальванометр измеряет поверхностный ток  в кольцевом зазоре между электродами А и В, а объемный ток утечки , который мог бы также проходить oт электрода B к электроду А, отводится электродом С на землю и минует гальванометр. Зная напряжение U (в вольтах), приложенное к образцу, и поверхностный ток утечки можно определить поверхностное сопротивление образца:

.

Зная поверхностное сопротивление , можно рассчитать  по формуле:

, Ом

 

Рис. 7. Принципиальная схема измерения удельного поверхностного сопротивления диэлектриков.

 

Схема для измерения удельных сопротивлений диэлектриков содержит защитный резистор R, предназначенный для ограничения тока в цепи при пробое образца во избежание повреждения гальванометра.

 

Постоянное напряжение в схему (рис. 6, 7) подается от источника высокого напряжения фирмы Keithley (рис 8). Максимальное напряжение источника – 5 кВ.

Рис. 8. Внешний вид источника постоянного напряжения.

 

На передней панели прибора расположены:

 

1- шкала индикации напряжения на образце;

2 - шкала задаваемого напряжения;

3 - шкала тока;

4 - тумблер подачи высокого напряжения на образец;

5 - клавиша «Enter»;

6 - цифровые клавиши;

7 - тумблер включения/выключения прибора (ON/OFF).

 

Образец материала помещается между тремя электродами в испытательной камере, куда подведены клеммы высокого напряжения от источника «ВН», гальванометра «Г» и заземление «3». Для охраны работающего от воздействия высокого напряжения камера снабжена автоматическим блокировочным устройством.

 

 

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для измерения удельного объемного или поверхностного сопротивления (см. рис. 6, 7), показать собранную схему преподавателю и после подтверждения правильности собранной схемы закрыть испытательную камеру.

2. Для защиты гальванометра от перегрузок поставить рукоятку шунта в положение, соответствующее наименьшему току в гальванометре (∞).

Важно! Во избежание перегрузки гальванометра все действия по подаче либо подъему напряжения на образце проводить в положении шунта (∞)!

3. В присутствии преподавателя включить гальванометр и источник высокого напряжения в сеть.

4. Установить необходимую величину испытательного напряжения подаваемого на образец (задается преподавателем), для чего на источнике высокого напряжения (см. рис 8):

- тумблер включения прибора (7) поставить в положение «ON»;

- цифровыми клавишами (6) на шкале задаваемого напряжения (2) выставить указанную преподавателем величину напряжения и нажать клавишу «Enter» (5). При этом напряжение на образец пока не подается;

    - для подачи напряжения на образец включить тумблер подачи высокого напряжения (4), при этом шкала напряжение на образце (1) высветит величину напряжения, равную заданной (2).

5. Для измерения тока, протекающего через образец, выждать 1 минуту после подачи напряжения, а затем постепенно вывести шунт гальванометра до получения удобно отсчитываемого показания. При этом зайчик гальванометра начнет отклоняться от нулевого положения (соответствующего положению шунта (∞).

Внимание! Не допускать зашкаливания светового "зайчика" гальванометра.

6. Записать в таблицу отклонение "зайчика"  (в мм). Переключателем (П), расположенным рядом с шунтом, изменить направление тока в гальванометре. При этом зайчик отклонится в обратную от нулевого положения сторону.  Величину отклонения записать как значение  (в мм) и определить среднее отклонение зайчика при 2-х направлениях тока.

.

7. Вернуть переключатель шунта в положение ()!

8. Для изменения подаваемого на образец напряжения не отключая тумблер подачи высокого напряжения (см. рис. 8 п. 4) цифровыми клавишами (6) на шкале задаваемого напряжения (2) выставить новую величину напряжения и нажать клавишу «Enter» (5). Прибор автоматически поднимет напряжение на образце и шкала напряжения на образце (1) высветит новое значение.

 

Примерное задание

1. Определить зависимость удельного объемное сопротивление двух-трех образцов изоляционных материалов от величины напряжения.

2. Определить зависимость удельного поверхностного сопротивление тех же образцов в зависимости от величины  напряжения.

3. Построить графики снятых зависимостей и дать их краткое объяснение.

4. Сравнить полученные результаты с литературными данными.

5. Данные измерений занести в таблицу 1.

 

Таблица 1.

Наименование	U,	h							n
материала	В	см			мм		Ом×cм (Ом)	мм

                 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Принципиальная схема установки.

3. Расчетные формулы, использованные в работе.

4. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными, приведенные в руководстве.

5. Графики снятых зависимостей.

6. Выводы по работе. Сравнительная оценка испытанных материалов.

 

Вопросы для самопроверки

I. Качество диэлектрика при работе в цепи постоянного тока.

2. Как определяются и в каких единицах измеряются  и  диэлектриков?

3. Объяснить зависимости  и  от различных факторов (влажность, приложенное напряжение, температура и т.п.).

4. Как изменяется сопротивление диэлектрика после включения постоянного напряжения?

5. Через какой промежуток времени после включения образца под напряжение принято брать отсчет и почему?

6. Почему ток, протекающий через диэлектрик при переменном напряжении, больше, чем при постоянном?

 

Список литературы

 

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Д.: Энергия, 1983.

2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. - М.: Энергия, 1972.

3. Пасынков В.В., Тареев Б.М., Корицкий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам. -М.: Энергия, 1974, т.1, 2, 3.