Основные теоретические положения. Методические указания

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ОБЪЕМНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания

к лабораторным работам по курсу

«Методы испытаний электрической изоляции»

 

 

Пермь 2002

 

Цель работы:

Изучение методики измерения удельных объ­емного r_v и поверхностного r _s сопротивлений диэлектриков; экспериментальное определение r_v и r_s диэлектриков; определение погрешности измерения.

 

Основные теоретические положения

 

Через диэлектрик, помещенный в постоянное электриче­ское поле, протекает электрический ток, который складывает­ся из двух составляющих: тока поляризации и тока утечки или тока сквозной проводимости.

Токи поляризации вызваны упругим смещением связан­ных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении эти токи протекают в короткие промежутки вре­мени в случае включения и выключения напряжения и затем постепенно затухают (рис.1).

Рис.1.

 

У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов не превышает долей секунды, но в некоторых случаях достигает десятков секунд и больше, что наблюдается при замедленных видах поляризации. Токи, связанные с установлением замедленных видов поляризации, называют токами абсорбции. С ними при­ходится считаться при определении сопротивления диэлек­триков.

Ток утечки протекает через диэлектрик все время, пока он находится под напряжением (рис.1), и по величине тока утечки определяется сопротивление диэлектрика

 

где I - наблюдаемый ток, å I_а - сумма токов абсорбции. Токи абсорбции обычно учесть трудно, поэтому принято изме­рять ток I_мин через минуту после включения образца под на­пряжение, а сопротивление рассчитывать по формуле

Для сравнительной оценки различных материалов примени­тельно к цепи постоянного тока используют величину их удельного сопротивления. Для твердых диэлектриков разли­чают два удельных сопротивления: объемное и поверхност­ное. Удельное объемное сопротивление r_v численно равно (в системе СГС) сопротивлению куба с ребром 1 см, если ток проходит через две противоположных грани. Выражается удельное объемное сопротивление в Ом×см. В системе СИ r_v определяется для куба с ребром 1 м и выражается в Ом×м. При этом 1 Ом×м = 100 Ом×см. Удельное поверхно­стное сопротивление r_s численно равно сопротивлению квад­рата по поверхности диэлектрика со стороной 1 см и изме­ряется в омах. Различие в размерности подчеркивает, что величины r_v и r_s характеризуют два различных свойства диэлектрика: проводить электрический ток через толщу или по поверхности диэлектрика.

Для более полной характеристики изоляционного мате­риала нужно знать его объемное и поверхностное сопро­тивление.

Объемное сопротивление диэлектриков R_v зависит от тем­пературы и величины приложенного напряжения, а для гигро­скопичных диэлектриков и от влажности. Поверхностное со­противление R_s зависит от влажности окружающей среды, особенно если диэлектрик смачивается водой, от раствори­мости в воде материала и от чистоты поверхности.

Для определения объемного сопротивления необходимо электроды на исследуемом образце расположить так, чтобы электрическое поле вызвало движение свободных ионов через толщу диэлектрика (рис. 2).

 

 

 

Рис.2.

 

Зная величину приложен­ного напряжения и измерив гальванометром ток, проходящий через образец, можно найти объемное сопротивление образца диэлектрика (Ом):

По измеренным значениям R _s и R _v расчетом находят удельные объемное и поверх­ностное сопротивления, являющиеся качественными характеристиками изоляционного материала. В основу расчетных формул положен закон Ома, который остается справедливым для полей напряженностью до I0⁶ В/см.

Величина R_v зависит как от качества диэлектрика, так и от геометрических размеров образца

Отсюда

где d - толщина диэлектрика, см; S - площадь электро­да, см².

Поверхностный ток вызывается чаще всего свободными ионами тех загрязнений, которые могут быть на поверхности материала. Для измерения поверхностного сопротивления электроды на испытуемом образце должны быть расположе­ны так, чтобы электрическое поле вызывало движение сво­бодных ионов в тонком поверхностном слое диэлектрика (рис. 3).

 

 

Рис.3.

 

Поверхностное сопротивление определяется по формуле (Ом)

и зависит от качества поверхности диэлектрика, а также от длины и ширины пути тока. Если электроды взяты в виде двух параллельно поставленных ножей или полос длиной В на расстояний L друг от друга, то

отсюда

L и В имеют линейные размеры.

Так как поверхность загрязнить легче, чем толщу мате­риала, то обычно r_s хотя бы на один порядок ниже, чем r_v.

Полное сопротивление изоляции R определяется как результирующее двух параллельно соединенных сопротивлений – поверхностного R _s и объемного R _v

Обычно стремятся измерить каждую из составляющих в отдельности, устраняя влияние другой. Для этого применяют систему из трех электродов: измерительного (И), высоковольтного (В) и охранного (О) (рис. 4).

 

 

а) б)

 

Рис. 4. Схемы электродов для измерения

поверхностного (а) и объемного (б) сопротивлений

 

При измерении объемного сопротивления охранный электрод заземляется. Если охранное кольцо не заземлено (рис. 4, б), то гальванометр будет измерять ток, протекающий в объеме диэлектрика через сечение S, равное площади измерительного электрода, ток по поверхности диэлектрика и ток, который течет по объему диэлектрика, минуя сечение S. Кроме того, в результате краевого эффекта может возникнуть иониза­ция воздуха у края измерительного электрода и увеличитьсяток в цепи гальванометра.

Таким образом, при незаземленном охранном кольце гальва­нометр будет показывать суммарный ток больший, чем протекающий через сечение S. Следовательно, результаты определения вели­чины объемного сопротивления будут занижены.

Для определения поверхностного сопротивления применяется схема, показанная на рис. 4,а. Здесь заземляется нижний элект­род. Если электрод (О) не заземлен, то гальва­нометр измеряет ток, протекающий по поверхности диэлект­рика между (В) и (И), и ток, протекающий между этими электродами по объему диэлектрика. Кроме того, вблизи внутреннего края (В) и края (И) имеет место краевой эффект, увеличивающий ток в цепи гальванометра.

Таким образом, при незаземленном нижнем электроде гальва­нометр показывает суммарный ток и результаты определения величины поверхностного сопротивления занижены.

При заземленном охранном электроде в гальваномет­ре течет только поверхностный ток в кольцевом зазоре между электродами (В) и (И).

Поверхностное сопротивление плоского образца для трехэлектродной системы можно определить по формуле

где r_s - удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, Ом; d ₁ - диаметр измерительного электрода, м; d ₂ - внутренних диаметр кольцевого электрода, м.

Тогда

 

Методы определения сопротивления электроизоляционных материалов

 

В зависимости от величины сопротивления применяют различные методы измерения.

Электроизоляционные материалы широкого применения характеризуются сопротивлением до 10¹² ¸ 10¹³ Ом. Такое сопротивление может быть измерено при помощи зеркального гальванометра тремя методами: непосредственного отклонения, сравнения и заряда конденсатора. Однако практичес­ки метод сравнения есть тот же метод непосредственного отклоне­ния, но с определением динамической постоянной гальванометра. Поэтому метод сравнения не рассматриваем.