Б- в случае трех электродов

 

часть тока проходит вне пространства между электродами (Э) – по поверхности и по искривленным направлениям за краями электродов (рис.1а). Чтобы исключить этот ток, применяют охранное кольцо (ОК), окружающее центральный измерительный электрод. Потенциал охранного кольца должен быть равен потенциалу измерительного электрода, именно в этом случае ток утечки между ними будет отсутствовать (рис.1б). Тогда удельное объемное сопротивление материала, с учетом размеров измерительных электродов (рис.2), может быть рассчитано по формуле: r_V=R_V×S/h = U×S/I_V×h, (3)

где I_V – измеряемый объемный ток; U – напряжение на электродах; S – площадь центрального измерительного электрода; h – толщина диэлектрика; R_V – объемное сопротивление образца.

Качество электроизоляционных конструкций взначительной степени зависит не только от объемного, но и от поверхностного сопротивления R_S.

Поверхностный ток I_S в основном определяется наличием загрязнений (пленка влаги, растворы солей, кислот), а также нарушениями структуры поверхности материала. Кроме того, поверхность диэлектрика в большей степени подвержена воздействию внешних факторов.

Для измерения поверхностного электрического сопротивления используют ту же самую систему с тремя металлическими электродами (рис.2 ).

В такой системе удельное поверхностное сопротивление может быть рассчитано по формуле:

, (4)

где R_S – поверхностное электрическое сопротивление образца диэлектрика, заключенного между электродами; d ₁ – внутренний диаметр кольцевого электрода; d ₂ – диаметр верхнего электрода.

Рис.2. Размещение трех измерительных электродов на образце

1 – центральный измерительный электрод;

2 – охранное кольцо;

3 – нижний электрод

 

Очевидно, что удельное объемное сопротивление имеет в системе СИ размерность [Ом×м], а удельное поверхностное сопротивление – [Ом], следовательно, эти два параметра не могут быть численно сопоставлены друг с другом так же, как и удельные объемная и поверхностная проводимости.

При проведении измерений проводимости диэлектриков необходимо принимать во внимание тот факт, что при небольшом времени выдержки t образца под напряжением обычно регистрируется не только сквозной электрический ток, но и сопровождающий его ток абсорбции (или ток смещения), то есть ток, связанный с установлением замедленных видов поляризации. Поэтому в результате измерений можно получить завышенное значение проводимости (рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимость измеряемого объемного тока через диэлектрик от времени

I_S - общий ток через диэлектрик;

I_абс – ток поляризации (абсорбции);

I_скв – сквозной ток проводимости

 

Электрическая проводимость диэлектрика определяется при постоянном напряжении по величине сквозного тока, истинное значение сопротивления

образца вычисляется по формуле: R_из = U / I_скв = U / (I –I_абс), (5)

где I_скв – сквозной ток утечки, I_S – регистрируемое значение тока, I _абс – ток абсорбции.

Поскольку измерять абсорбционные токи даже замедленных видов поляризации достаточно сложно, сопротивление диэлектрика рассчитывается как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после подачи напряжения, который близок по величине к сквозному току. Необходимо учесть, что более длительная выдержка образца под напряжением может приводить к его старению.

Влияние влаги. Электропроводность диэлектрических материалов в большой степени определяется содержанием влаги в объеме и на поверхности образца. Известно, что вода обладает значительной электропроводностью 10^-3-10^-4 Ом^-1∙м^-1 и высокой относительной диэлектрической проницаемостью (e′=81 при 20°С и частоте менее 10⁵ Гц). Кроме того, в воде легко диссоциируют молекулы многих других веществ (прежде всего электролитических примесей), что существенно увеличивает число свободных носителей заряда и, следовательно, повышает проводимость материалов. Иногда электроизоляционные материалы находятся в прямом контакте с водой, однако, чаще всего источником влаги является обычный атмосферный воздух, относительная влажность которого может меняться в широких пределах от 20 до 100%.

При соприкосновении твердого диэлектрика с окружающей средой, содержащей влагу, протекают два процесса: адсорбция воды на его поверхности и абсорбция воды внутрь материала. В целом это явление называется сорбцией.

Причина адсорбции – силы, действующие между полярными молекулами воды и молекулами поверхности диэлектрика. Эти силы могут быть притягивающими, такие поверхности называют гидрофильными, а могут быть и отталкивающими, тогда говорят, что поверхность гидрофобна. К первому типу в основном относятся полярные диэлектрики со смачиваемой поверхностью, ко второму типу – неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой. Достаточно тончайшего слоя влаги, чтобы обнаружить заметную поверхностную проводимость, которая определяется толщиной этого слоя. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в непосредственной зависимости от относительной влажности атмосферы, поэтому относительная влажность является основным фактором, влияющим на удельную поверхностную проводимость конкретного материала. Пленка влаги – мономолекулярный слой воды – появляется при 20°С, начиная с 30% относительной влажности воздуха.

Причиной абсорбции (проникновения влаги внутрь диэлектрика) является диффузия. Поскольку эффективный диаметр молекулы воды составляет 2,58 Ǻ, то она способна диффундировать практически во все материалы. Межмолекулярная пористость различных веществ колеблется в пределах

10–50 Ǻ, а внутримолекулярная пористость может достигать 10 Ǻ.

Проникновение воды в электроизоляционный материал подчиняется закону Генри, согласно которому концентрация водяных паров на внутренней поверхности диэлектрика пропорциональна давлению паров на внешней стороне поверхности. Коэффициент пропорциональности называется растворимостью. Если концентрация водяного пара с обеих сторон неодинакова, происходит диффузия пара из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией.

Существует целый ряд показателей, позволяющих оценить количество поглощенной материалом влаги: влагопроницаемость, влагопоглощаемость и т.п. Однако решающим является не количество поглощенной воды, а вызванное увлажнением ухудшение электрических характеристик изоляции, которое для разных материалов при одинаковом содержании влаги различно.

Влияние влаги на диэлектрик зависит и от того, каким образом вода входит в его структуру. Существует две формы связи воды с твердыми веществами: сорбционная и химическая. В первом случае вода, проникающая в толщу материала в процессе сорбции не входит в его структуру, не вызывает необратимых явлений и ее присутствие или удаление не приводит к образованию новой структуры вещества. Химическая или кристаллогидратная форма связи воды с диэлектриком приводит к получению новых веществ, различным по физическим свойствам, вызывает структурное изменение и перестройку кристаллической решетки. Промежуточное положение между сорбционной и химической формами связи занимают вещества, в которых вода связывается с материалом, образуя водородные связи. К таким диэлектрикам относятся бумага, эфиры целлюлозы и другие.

Кроме вида связи воды с материалом, большое значение имеет форма ее распределения. Форма распределения влаги в диэлектрике определяет его электрические параметры, поскольку систему с водяными включениями можно рассматривать как неоднородный диэлектрик с полупроводящими элементами.

Поглощенная материалом вода может располагаться или в виде сферических образований или в виде нитей и пленок, причем наиболее благоприятной формой, вызывающей наименьшее снижение характеристик, является сфера, характерная для неполярных диэлектриков.

Лучшей влагостойкостью обладают неорганические материалы: вакуумплотная керамика, глазурованный фарфор, бесщелочное стекло, и т.п. Пористые же неорганические материалы, например асбест, мрамор, пористая керамика, а также композиционные материалы типа слюдопластов и т.п., поглощают много воды и резко снижают в связи с этим в процессе эксплуатации свои электроизоляционные характеристики.

Из органических материалов меньше всего поглощают влагу и ухудшают электроизоляционные свойства неполярные материалы, например парафин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт-4). Полярные органические диэлектрики, например поливинилхлорид, термореактивные пластмассы, поглощают больше воды, чем неполярные. Особенно легко увлажняются материалы на основе целлюлозы, такие как бумага, картон, лакобумага, гетинакс, ткани, текстолиты. Эти виды изоляции можно использовать только в сухом состоянии, причем они должны защищаться от влаги лакированием, пропиткой. Однако все виды защиты лишь замедляют процесс увлажнения. Единственно надежным средством является герметизация, что не всегда возможно и целесообразно.

Как уже говорилось, электропроводность твердых изоляционных материалов обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных или технологических примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана перемещением свободных электронов. То есть в диэлектриках электропроводность обусловлена перемещением ионов, вырываемых из кристаллической решетки под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах движутся ионы основной кристаллической решетки и свободные собственные электроны.

Проанализируем общую зависимость электропроводности. Число диссоциированных ионов (свободных носителей заряда) экспоненциально зависит от температуры : n= n₀ exp(–W_дис / kT), (6)

где n₀ – общее число ионов в 1м³ (концентрация ионов), W_дис – энергия диссоциации, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Подвижность ионов также экспоненциально зависит от температуры, но с другой энергией активации: m = m₀exp (–W_пер / kT), (7)

где m₀ – предельная подвижность иона, W_пер – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного состояния в другое, то есть: g = q ×n ×m₀ exp(-(W_дис + W_пер) / kT). (8)

Отсюда видно, что чем больше значение энергии диссоциации и энергии перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Поскольку обычно W_дис>>W_пер, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации свободных носителей. В случае существования в диэлектрике нескольких типов ионов выражение для удельной электропроводности имеет более сложный вид:

, (9)

где A_i = q_i n_0i m_0i, W_i – энергия активации электропроводности, i = 1,2,3…

Поэтому кривые логарифмической зависимости удельной электропроводности от температуры могут иметь изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена в основном ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях эти изломы могут быть связаны с различной энергией диссоциации ионов основного вещества. При анализе температурной зависимости электропроводности диэлектриков необходимо учитывать и наличие влаги в них. Известно, что с повышением температуры от 20^оС до 100^оС происходит постепенная сушка увлажненного диэлектрика. При этом в некоторых случаях при повышении температуры наблюдается рост объемного и (или) поверхностного сопротивления, вместо ожидаемого спада.

 

Описание измерительной установки

При определении объемного и поверхностного сопротивления диэлектрика используют образцы, представляющие собой круглые или квадратные пластины и полосы шириной 40 мм и более и толщиной 0,1- 4 мм.

Для устранения прослойки воздуха электроды должны быть напылены или притерты к поверхности диэлектрика при помощи кремнийорганического вазелина (либо трансформаторного масла). В этом случае электроды вырезают из оловянной или отожженной алюминиевой фольги толщиной 0,01¸0,03 мм.

Испытуемый образец помещают в специальную контактную ячейку, которая позволяет осуществить включение образца в измерительную схему. Ячейка представляет собой систему из трех латунных электродов, укрепленных на диэлектрическом кронштейне и снабженных прижимными пружинами (рис.4). Электроды присоединены гибкими проводами к измерительной установке. Ячейка помещается в термостат с целью исключения внешних воздействий и для осуществления нагрева испытуемого образца. На корпусе термостата установлен тумблер Т, позволяющий переключать электроды для определения объ­емного сопротивления образца – положение " R_V " и поверхностного сопротивления – положение " R_S ", соответственно. В первом случае напряжение подается между верхним и нижним электродами, а охранное кольцо имеет такой же потенциал, что и верхний электрод; во втором случае напряжение прикладывается между верхним электродом и охранным кольцом. В связи с этим крайне важно следить за правильной установкой испытуемого образца в электродную ячейку: верхний электрод ячейки с прижимаю­щей пружиной должен находиться на центральном (измерительном) верхнем электроде, а малый (боковой) электрод – на охранном коль­це (рис. 4). Каждый раз при смене образца необходимо убедиться в отсутствии перекрытия каким-либо из верхних электродов зазора между охранным кольцом и центральным притертым электродом.

Рис. 4. Схема измерительной установки

1 – термостат;

2 – кронштейн;

3 – нижний латунный электрод;

4 – верхний, центральный фольговый электрод;

5 –фольговое охранное кольцо;

6 – испытуемый диэлектрик;

7 – верхний латунный электрод;

8 –нижний фольговый электрод;

9 – прижимные пружины;

10 - термопара и термоизмерительный прибор;

11 - тераомметр Е6-13

 

Кроме того, необходимо исключительно аккуратно обращаться с испытуемыми диэлектриками, чтобы не повредить притертые (или напыленные ) электроды и не испачкать поверхность диэлектрика руками.

 

Порядок выполнения работы

1. Получить от преподавателей информацию о диэлектриках, которые будут испытываться. Записать в табл. 1 названия этих материалов и их состав.

2. Отобрать из эксикатора с сухими образцами исследуемые диэлект­рики.

3. Определить и записать в табл. 1 геометрические размеры: толщину материа­ла h (в месте, где нет притертых фольговых электродов), диа­метр верхнего центрального электрода d₂, внутренний диаметр ох­ранного кольца d₁.

4. Ознакомиться с работой тераомметра Е6-13А. Особое внимание следует обратить на кнопку замыкания входа прибора (когда она отжимается?) и на шкалы (в каких случаях используют прямые, в каких обратные, верхние и нижние). Надо пояснить знак вопроса в скобках и обратить внимание на предупреждающую надпись на столе установки!

Исследование влияния влажности на электропроводность диэлектриков

А. Определение удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений сухих диэлектриков при комнатной температуре

1. Поместить образец в электродную ячейку.

2. Установить ячейку в измерительную камеру (термостат).

3. Поставить переключатель "Т" в положение, соответствующее изме­ряемому объемному сопротивлению R_V.

4. Выбрать нужный диапазон измерений и снять показания прибора. Записать значение R_V в табл. 1.

5. Переключить тумблер "T" в положение, соответствующее измерению поверхностного сопротивления R_S. Выбрать диапазон измерений, определить величину R_S. Записать результат в табл. 1.

6. Нажав кнопку замыкания входа прибора Е6-13А, открыть крышку термостата и достать электродную ячейку. Заменить образец на следующий.

7. Повторить измерения в соответствии с пунктами 1÷6.

8. Все образцы вернуть в эксикатор с су­хими материалами.

Т а б л и ц а 1.

Наименование	h,d1,d2,	Сухие образцы	Увлажненные образцы
и состав материала	мм	RV, Ом	RS, Ом	r V, Ом×м	r S, Ом	RV, Ом	RS, Ом	r V, Ом×м	r S, Ом

 

Б. Определение объемного и поверхностного сопротивления увлажненных диэлектриков при комнатной температуре

1. Из эксикатора с повышенной влажностью отобрать образцы диэлект­риков, аналогичные измеренным ранее.

2. Определить значения объемного и поверхностного сопротивлений увлажненных диэлектриков. Полученные данные занести в табл. 1.

3. Все образцы вернуть в эксикатор с повышенной влажностью.

 

С. Исследование зависимости удельных объемного и поверхностного сопротивлений диэлектриков от температуры

1. Установить испытуемый образец в электродную ячейку, ячейку по­местить в термостат.

2. Измерить значения R_V и R_S при комнатной температуре.

3. Включить термостат в сеть; включить "нагрев".

4. Определять значения R_V и R_S через каждые 10 градусов до 100 °С в режиме непрерывного нагрева.

5. Данные измерений свести в табл. 2.

Т а б л и ц а 2.

Наименование	Т, °С	Результаты измерений	Результаты расчетов
материала		RV, Ом	RS, Ом	lnRV	lnRS

 

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Расчетные формулы, использованные при вычислении удельных ха­рактеристик r_V и r_{S .}

4. Примеры численных расчетов.

5. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

6. Графики зависимостей lnR_V = f (T) и ln R_S = f (T).

7. Выводы по работе, содержащие анализ полученных экспериментальных данных по следующей схеме:

а)влияние влажности на r_V и r_{S .} диэлектриков;

б) почему это влияние различно для материалов разной структуры (проанализировать степень снижения r_V и r_S);

в) объяснение температурных зависимостей r_V и r_S.

 

Контрольные вопросы

1. В каких пределах лежат значения сопротивления диэлектрических материалов?

2. Почему различают объемное и поверхностное сопротивления?

3. Каковы основные виды электропроводности?

4. Из каких составляющих складывается полный ток через диэлектрик?

5. Чем определяется проводимость всех электротехнических материа­лов?

6. От чего зависит электропроводность диэлектриков?

7. Будет ли отличаться значение сопротивления электроизоляционного материала, измеренное на постоянном и переменном напряжении?

8. Почему вода вызывает деградацию электрических характеристик изоляции?

9. Что такое гидрофильные и гидрофобные диэлектрики?

10. Какие существуют формы связи воды в материале?

11. Чем обусловлена электропроводность диэлектрика при низкой и высокой температурах?

12. Как могут быть объяснены несколько изломов зависимости lnR_v = f (T)?

Р а б о т а 2