А. Определение диэлектрических параметров e', tgdx, e'' твердых электроизоляционных материалов

Определить e', tg d _x, e'' твердых диэлектриков на постоянной частоте в следующем порядке:

1. Ручку уровень поставить в крайнее левое положение, переключатель шкалы “ Q ” в положение “200”.

2. К зажимам L подключить эталонную катушку, соответствующую частоте, указанной преподавателем.

3. Установить заданную преподавателем частоту f на шкале генератора Г измерительного прибора;

4. Ручкой “Уровень” установить стрелку вольтметра “Уровень” против первой риски.

5. Медленно вращая ручку “Емкость” добиться резонанса в контуре по максимальному отклонению стрелки вольтметра V ₂. Для повышения точности отсчета емкость на основной шкале устанавливается на ближайшее к резонансному целое деление, а более точно резонанс настраивается с помощью дополнительной подстрочной емкости. Показания подстрочной емкости суммируются с основной емкостью (с соответствующим знаком).

6. Записать значение емкости С ₁ и добротности Q ₁, измеренные без образца, в табл. 3.

7. К зажимам С_x подключить испытательные электроды. Поставить между электродами один из образцов, выданных преподавателем.

8. Снова установить резонанс. Для восстановления резонанса емкость

переменного конденсатора С ₀ должна быть уменьшена на величину емкости

исследуемого образца.

9. Записать значения емкости С ₂ и добротности Q ₂ в табл. 3.

10. Измерить толщину диэлектрика h и диаметр меньшего электрода D.

11. Результаты измерения D и h записать в табл. 3.

12. Эксперимент повторить с другими образцами.

13. Рассчитать С_x, e', tg d _x, e''.

14. Результаты расчета записать в табл. 3.

Т а б л и ц а 3.

Наименование материала	Q1	С 1, Ф	Q2	С 2, Ф	D Q	Сx, Ф	D, м	h, м	e'	tg d x	e''

 

 

Б. Определение диэлектрических параметров e', tgdx, e'' жидких диэлектриков

1. Подключить к зажимам С_x воздушный конденсатор.

2. Измерить добротность и емкость конденсатора.

3. Залить исследуемую жидкость в конденсатор.

4. Измерить добротность и емкость конденсатора с жидкостью.

5. Рассчитать С_x, e', tg d _x, e'' исследуемой жидкости.

6. Результаты измерений и расчета записать в табл. 4.

Т а б л и ц а 4.

Наименование образца	Q1	С 1, Ф	Q2	С 2, Ф	D Q	Сx, Ф	e'	tg d x	e''
Воздушный конденсатор Сx
Конденсатор, заполненный жидкостью Сx

 

 

С. Определение зависимости диэлектрических параметров e', tgdx, e'' твердых диэлектриков от частоты

Для исследования зависимости e', tg d _x, e'' диэлектриков от частоты необходимо повторить измерения C и Q твердых диэлектриков при частотах, указанных преподавателем, и результаты измерений и расчетов внести в табл. 5.

 

Т а б л и ц а 5.

Наимено-вание материала

f, Гц

Q1

С 1, Ф

Q2

С 2, Ф

D Q

Сx, Ф

D, м

h, м

e'

tg d x

e''

 

Построить графики зависимостей e', tg d _x, e'' от частоты для исследованных образцов.

 

Д. Определение зависимости диэлектрических параметров e', tgd_x, e'' твердых диэлектриков от температуры

1. Подготовить прибор к работе согласно указаниям п. А.

2. Измерить толщину диэлектрика h и диаметр внешнего электрода D.

3. Результаты измерения D и h записать в табл. 6.

4. Ручку уровень поставить в крайнее левое положение, переключатель шкалы “ Q ” в положение “200”.

5. К зажимам L подключить эталонную катушку, соответствующую частоте указанной преподавателем.

6. Установить заданную преподавателем частоту f.

7. Ручкой “Уровень” установить стрелку вольтметра “Уровень” против первой риски.

8. К зажимам С_x подключить измерительную ячейку. Тумблер “Ячейка” установить в положение “0”.

9. Ручкой “Емкость” установить в контуре резонанс по максимальному отклонению стрелки вольтметра V ₂. Для повышения точности отсчета емкость на основной шкале устанавливается на ближайшее целое деление, а более точно резонанс подгоняется с помощью подстрочной емкости. Показания подстрочной емкости суммируются с основной емкостью (с соответствующим знаком).

10. Записать значение емкости С ₁ и добротности Q ₁ в табл. 6.

11. Тумблер “Ячейка” установить в положение “1”.

12. Снова установить резонанс.

13. Записать значения емкости С ₂ и добротности Q ₂ в табл. 6.

14. Включить тумблер “Сеть”.

15. Тумблер “ T,^oC” перевести в положение “100”. Через каждые 10 ^oC повторять измерения пп. 12¸13. Нагрев производить до температуры, указанной преподавателем.

16. По достижении предельно допустимой температуры тумблер “ T,^oC” перевести в положение “0”.

17. Повторить измерение температурной зависимости на другой частоте.

18. Рассчитать С_x, e', tg d _x, e'.

19. Результаты расчета записать в табл. 6.

 

Т а б л и ц а 6.

Наимено-вание материала

T, oC

Q1

С 1, Ф

Q2

С 2, Ф

D Q

Сx, Ф

D, м

h, м

e'

tg d x

e''

 

Построить графики зависимостей e', tg d _x, e'' от температуры.

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Расчетные формулы, использованные при вычислении относительной диэлектрической проницаемости e¢, тангенса угла диэлектрических потерь tg d, фактора потерь e¢¢.

4. Примеры численных расчетов.

5. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

6. Графики зависимостей e¢ = f(f), tg d = f(f), e¢¢= f(f), e¢= f (T), tg d = f(T) и e¢¢= f (T).

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

а) сопоставление полученных значений e¢, tg d, e¢¢ для исследуемых материалов различной природы с указанием характерных для них видов поляризации;

б) объяснение зависимостей e¢ = f(f), tg d = f(f), e¢¢= f(f);

в) объяснение зависимостей e¢= f (T), tg d = f(T), e¢¢= f (T).

Контрольные вопросы

 

1. Что такое поляризация диэлектриков?

2. Какие основные виды поляризации диэлектриков имеют место?

3. Как оценивается поляризация?

4. Чему равна напряженность между обкладками плоского конденсатора с диэлектриком?

5. Что такое поляризованность и электрическое смещение?

6. Чем отличаются напряженность деполязирующего и основного поля?

7. Каковы отличительные признаки основных видов поляризации?

8. Что такое e', tg d, e'', как они межу собой связаны?

9. Что такое диэлектрические потери?

10.Каковы причины возникновения диэлектрических потерь?

11. Что такое комплексная диэлектрическая проницаемость?

12. Какие эквивалентные схемы используются для реального диэлектрика с потерями энергии и когда?

13. Что такое время релаксации?

14. Как изменяется со временем поляризованность Р при внезапном включении напряжения?

15. Как будут изменяться e' и e'' в полярном диэлектрике с изменением частоты?

16. Как изменяются e' и e'' с изменением температуры и частоты при всех видах поляризации?

17. Как изменяется tg dв диэлектриках с воздушными включениями при повышении напряжения?

18. В чем сущность резонансного метода?

19. Как измерить емкость и добротность диэлектрика резонансным методом?

20. Как определяется e' твердых и жидких диэлектриков?

 

 

Внимание! Не на все вопросы имеются ответы в данном пособии.

Р а б о т а 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

 

Ц е л ь р а б о т ы – закрепить теоретические знания физических основ явления пробоя и ознакомиться с методикой определения кратковременной электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

 

Основные положения

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика, или нарушения его электрической прочности. При пробое наблюдается местное увеличение проводимости (из-за резкого увеличения концентрации свободных носителей) и рост сквозного тока (рис.17), завершающийся образованием проводящего канала пробоя в диэлектрике. Если пробой происходит в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности носителей заряда в таких материалах после снятия напряжения

Рис.17. Зависимость тока через диэлектрик от приложенного напряжения

 

 

пробитый участок диэлектрика может восстановить (при ограниченной мощности и длительности работы источника напряжения) свои электроизоляционные свойства. Для твердого диэлектрика такое восстановление отсутствует – след пробоя имеет вид проплавленного, прожженного сквозного канала неправильной формы, образующего практически короткое замыкание между электродами.

Образование в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем, напряжение, вызывающее пробой,- пробивным напряжением (U _пр), а соответствующая напряженность электрического поля – электрической прочностью (E _пр) диэлектрика. В некоторых случаях при напряжении более низком, чем U_пр, развивается поверхностный электрический разряд, не распространяющийся на значительную глубину материала. Действительно, электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков выше, чем жидких, и, тем более, выше, чем газообразных (при нормальном давлении). Поэтому, если расстояние между ближайшими друг к другу точками электродов по поверхности диэлектрика лишь немного превосходит его толщину, то канал пробоя развивается не сквозь изоляцию (рис.18а), а в прилегающем к ней жидком или газообразном слое (рис.18б).

 

Рис.18.Схема протекания тока при

пробое диэлектрика

а – сквозной пробой;

б – поверхностный пробой

 

 

Это явление называется поверхностным пробоем, а напряжение, при котором он происходит, – поверхностным пробивным напряжением. Электрическая прочность является важнейшей характеристикой электроизоляционного материала. В простейшем случае (однородное электрическое поле и однородный диэлектрик): Е _пр = U _пр / d, (21)

где U_пр – пробивное напряжение; d – толщина диэлектрика.

В системе СИ размерность Е_пр – [В/м]. Однако на практике U_пр измеряют в [кВ], толщину в [мм]. Тогда электрическую прочность можно представлять в кВ/мм=МВ/м=10⁶ В/м.

Если в процессе эксплуатации напряженность поля превысит E _пр диэлектрика, то электротехническое устройство, в котором использован данный электроизоляционный материал, выйдет из строя. Поэтому для надежной работы изоляции ее рабочее напряжение (U_раб) должно быть существенно меньше, чем U _пр, а Е _раб меньше, чем Е _пр. Отношение U _пр/ U _раб называют коэффициентом запаса электрической прочности электроизоляционного материала.

 

 

Определение электрической прочности диэлектриков

Для вычисления электрической прочности диэлектрика необходимо измерить его U _пр. Для сопоставимости результатов, полученных разными лабораториями, введены стандарты (ГОСТы) на условия испытаний (форму, размеры и материал электродов; вид и длительность приложения напряжения; параметры окружающей среды и пр.)

Длительность приложения напряжения. Установлены методы определения U _пр при переменном (промышленной и повышенной частоты), импульсном и постоянном токе. По длительности приложения напряжения различают импульсные, кратковременные и длительные испытания на пробой.

Импульсное воздействие применяют для оценки стойкости изоляции к перенапряжениям, а также с целью изучения физического механизма быстро протекающих процессов электрического пробоя.

При кратковременных испытаниях переменное или постоянное напряжение повышают автоматически (либо плавно – с фиксированной скоростью, либо ступенями - за время от нескольких секунд до минут). Момент пробоя диэлектрика фиксируют по резкому увеличению тока или спаду напряжения, определяя величину кратковременного пробивного напряжения U _{пр кр}.

В случае длительных испытаний, применяемых для исследования надежности изоляции и изучения процессов электрического старения, оценивают время жизни от момента подачи напряжения (U _исп < U _пр) до пробоя диэлектрика.

Форма электродов. Пробивное напряжение пропорционально напряженности электрического поля только при условии его однородности, степень которой определяет форма электродов. Электрическое поле является наиболее однородным в случае применения так называемых электродов Роговского, поверхности которых описываются уравнениями Роговского и соответствуют форме эквипотенциальных линий поля. На практике, особенно для сравнительных испытаний, используют электроды более простой формы: диски с закругленными краями или шары. Если размер сфер много больше длины разрядного промежутка (толщины диэлектрика), то получают относительно однородное (или слабо неоднородное) поле.

В неоднородном поле (например: электроды типа шар-игла или игла-игла) U_пр всегда меньше, чем в однородном поле, при прочих равных условиях, так как в этом случае на элемент диэлектрика приходится большая электрическая нагрузка. Именно поэтому технологические нарушения типа складок при намотке ленточной изоляции, пылинок и пр. повышают вероятность пробоя. При вычислении электрической прочности в условиях неоднородного поля вводят поправочный коэффициент а >1. Тогда: Е _пр = (а × U _пр) / d. (22)

Величина коэффициента а зависит от формы, размера электродов и расстояния между ними. Отмечено и влияние материала, из которого сделаны электроды. Поэтому значение поправочного коэффициента должно указываться в стандарте на материал.

Обработка результатов измерения. Величина пробивного напряжения диэлектрика определяется электрической прочностью наиболее слабого участка. Величина Е _пр электроизоляционного материала существенно зависит от местных изменений толщины диэлектрика, наличия дефектных мест (неоднородностей, полупроводящих включений, пустот и пр.), а также от состояния поверхности электродов. Поскольку перечисленные факторы случайны, то и электрическая прочность диэлектрика также является случайной величиной, при определении которой наблюдается значительный разброс значений. Поэтому испытания на пробой производят путем многократных измерений на больших партиях образцов (выборках) с последующей статистической обработкой экспериментальных результатов.

Установлено, что распределение кратковременной электрической прочности диэлектрических материалов подчиняется нормальному закону, реже – экстремальному закону Вейбулла. В соответствии с нормальным законом распределения по результатам измерения U _пр выборки из n образцов рассчитывают значения их Е _пр, а затем – среднюю величину электрической прочности диэлектрика [ кВ/мм ]: (23)

Разброс значений электрической прочности характеризуют среднеквадратическим отклонением:

(24)

Если испытания проводились на одних и тех же электродах при постоянном расстоянии между ними (или при одной и той же толщине диэлектрика), то о степени однородности материала можно судить по величине коэффициента вариации К _вар (тем точнее, чем больше выборка):

(25)

Согласно стандарту, при К _вар< 15% материал считается относительно (более) однородным, а результаты измерения – достоверными. При К _вар > 15% качество диэлектрика неудовлетворительно (материал неоднороден) и для получения достоверных результатов необходимо увеличивать выборку.

Однако в любом случае ограниченное число измерений приводит к тому, что найденные Е _пр и S будут случайными величинами. Известно, что отклонение средних значений от истинногоили генерального среднего подчиняется распределению Стьюдента (t-распределение). Тогда отклонение от средней величины электрической прочности при данной доверительной вероятности p определяется, как: (26)

где t – величина критерия Стьюдента для n измерений.

Для вероятности p = 95% имеем:

n
t	2,78	2,57	2,45	2,37	2,31	2,26

Окончательное значение электрической прочности (определенное, например, по 5 пробоям) с вероятностью 95% будет находиться в пределах: (27)

Механизм пробоя диэлектриков.

Кратковременная электрическая прочность электроизоляционных материалов определяется прежде всего их физическим состоянием и структурой.

Пробой газов. Пробой газообразных диэлектриков носит чисто электрический характер и происходит вследствие ударной и фотонной ионизации, заключающейся в лавинообразном расщеплении нейтральных атомов (молекул) газа на электроны и ионы.

Под воздействием внешних факторов (например: ультрафиолетовое и радиационное излучения) развивается начальная ионизация атомов (молекул) газа с образованием незначительного количества свободных электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. При наложении электрического поля свободные заряженные частицы (главным образом, электроны) получают добавочную скорость и начинают движение в направлении поля, приобретая дополнительную энергию:

(28)

где q - заряд частицы; U_λ – разность потенциалов на длине свободного пробега (λ). Если электрическое поле однородно, то: (29)

где Е – напряженность поля в газе, λ– длина свободного пробега электронов ( среднее расстояние между двумя соударениями), зависящая от давления газа.

Отсюда: (30)

Если приобретенная энергия W достаточно велика, то в случае соударения заряженной частицы с нейтральным атомом (молекулой) газа происходит либо возбуждение – переход электрона на более удаленную орбиту, либо ионизация –расщепление атома (молекулы) на электроны и положительные ионы. Так, например, при разряде в воздухе образуются следующие положительные ионы: О⁺, О₂⁺, N⁺, N₂⁺, NO⁺. В некоторых случаях (например, в кислороде, углекислом газе, парах воды и др.) электрон, встречаясь c нейтральным атомом (молекулой), соединяется с ним, образуя отрицательный ион. Следует отметить, что в инертных газах (аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте) подобного явления не наблюдается.

Условия возникновения ударной ионизации: (31)

где: W _ион – энергия ионизации, характеризуемая потенциалом U _ион = W _ион / q.

Для различных газов W _ион = (4 – 25) эВ при выбивании одного электрона. Установлено, что электрон ионизирует молекулы газа, если скорость его движения превышает 1000 км/с.

Одновременно развивается и фотонная ионизация за счет поглощения нейтральными атомами (молекулами) энергии фотонов, испускаемых возбужденными, но не ионизованными, частицами. Появившиеся вследствие указанных процессов свободные электроны в свою очередь также ионизируют или возбуждают нейтральные атомы (молекулы), а положительные ионы выбивают электроны при ударах о катод. Число свободных носителей в газе лавинообразно нарастает, что приводит к образованию проводящих каналов – стримеров: отрицательного (состоящего из двигающихся от катода к аноду электронов и отрицательных ионов) и положительного (представляющего собой направленный от анода к катоду поток положительно заряженных ионов). Проводящие каналы в газе развиваются практически мгновенно. Происходит электрический пробой.

Электрическая прочность газов в нормальных условиях невелика и в значительной мере зависит от их химического состава, условий эксперимента и внешних факторов: формы распределения электрического поля, расстояния между электродами, давления, влажности, температуры и частоты переменного поля. Е _пр газообразных диэлектриков резко снижается при увеличении степени неоднородности поля: наблюдается развитие частичных разрядов в виде короны с последующим переходом в искровой разряд и дугу при увеличении напряжения. Так, для воздуха (который служит внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций: трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередачи) при нормальном давлении в однородном электрическом поле при газовом промежутке порядка 1–10 мм Е _пр = 3 кВ/мм, в неоднородном – 0,5 кВ/мм. Газы, содержащие галогены (J,Br,Cl,F), как, например, фреон CF₂Cl₂ или элегаз SF₆, имеют электрическую прочность, которая в 2,5 – 3,0 раза выше, чем у воздуха или азота.

На электрическую прочность газа влияет длина разрядного промежутка. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличениеэлектрической прочности, связанное с отсутствием условий для развития лавин вследствие малой длины пробега свободных носителей заряда. Так, если для воздуха в нормальных условиях при разрядном промежутке 1–10 мм Е _пр = 3 кВ/мм, то при расстоянии между электродами в 0,005 мм Е _пр возрастает до 70 кВ/мм (при 50 Гц).

Особое практическое значение имеет зависимость электрической прочности газов от давления (рис 19).

 

 

 

Рис.19. Зависимость Е_пр газа от давления

 

 

Как отмечалось, энергия, накопленная электроном при движении в электрическом поле и необходимая для развития ударной и фотонной ионизации, зависит от средней длины свободного пробега носителя λ и определяется плотностью газа. Прибольшом давлении и, соответственно, повышенной плотности газа расстояние между отдельными атомами (молекулами) сокращается, т.е. уменьшается λ.

Поэтому энергию, необходимую для ионизации, электрон приобретает при более высокой напряженности поля. При уменьшении давления вначале наблюдается снижение электрической прочности газа, так как облегчаются условия лавинообразования (растетλ). Когда же разряжение достигнет высокой степени (глубокий вакуум), электрическая прочность начинает снова возрастать, что объясняется уменьшением числа атомов (молекул) газа в единице объема и, следовательно, снижением вероятности столкновения электронов с нейтральными частицами. В этих условиях пробой может произойти вследствие вырывания электронов из поверхности электрода силой электрического поля (холодная эмиссия). Электрическая прочность вакуума имеет достаточно высокие значения.

 

Пробой жидких диэлектриков. Процессы, происходящие в жидкостях при пробое, сложны и зависят, главным образом, от их химического состава и степени чистоты. К максимально чистым жидкостям применяют теорию чисто электрического пробоя. В этом случае при высоких значениях электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов с последующим развитием ударной ионизации. В нормальных условиях электрическая прочность чистых жидких диэлектриков существенно превосходит электрическую прочность газов вследствие более высокой плотности и, соответственно, значительно меньшей длины свободного пробега электронов. Для таких жидкостей в лабораторных условиях получены значения Е_пр = (50-70) кВ/мм, а при малых зазорах – (150-250) кВ/мм. Технически чистые жидкости имеют Е_пр = (20-25) кВ/мм. В них постоянно присутствуют растворенные и нерастворенные примеси, которые подразделяют на естественные (вода, газы, твердые частицы и пр.) и искусственные, т.е. преднамеренно внесенные в жидкий диэлектрик при его производстве (например, антиокислители, сорбенты и т.д.).

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который, в конечном счете, приводит к вскипанию жидкого диэлектрика и образованию газового канала между электродами.

Изоляционные жидкости часто содержат воду, которая, не смешиваясь с жидким диэлектриком, присутствует в нем в виде мелких капель. Под воздействием электрического поля капли воды (сильно полярного вещества) поляризуются, приобретая форму эллипсоидов, и ориентируются по полю, образуют цепочку с повышенной проводимостью, по которой и происходит пробой. Содержание даже 0,01% воды в электроизоляционном масле снижает его Епр в 5–6 раз. Поэтому при использовании жидких диэлектриков их подвергают тщательной термо-вакуумной сушке и дегазации.

К жидкостям, имеющим высокую электропроводность, применима теория теплового пробоя. После приложения электрического поля такой жидкий диэлектрик разогревается за счет диэлектрических потерь. С ростом температуры его удельное объемное сопротивление снижается, что приводит к дальнейшему возрастанию сквозного тока и, соответственно, стимулирует непрерывный рост температуры вплоть до вскипания изоляционной жидкости и последующего пробоя.

Электрическая прочность технических жидких диэлектриков имеет тенденцию к снижению по мере увеличения их полярности и соответствующего возрастания способности к диссоциации. Электрическая прочность чистых масел снижается с ростом температуры из-за увеличения длины свободного пробега электронов вследствие уменьшения плотности жидкости. Однако в жидких диэлектриках, содержащих воду, с ростом температуры происходит сушка, поэтому электрическая прочность увеличивается, образуя характерный максимум примерно при 80 оС.

Необходимо учитывать, что по мере увеличения числа пробоев в одном и том же объеме жидкости наблюдается снижение Е _пр вследствие образования продуктов ее разрушения, в частности, сажи в случае углеродсодержащих жидкостей. Поэтому для обеспечения удовлетворительной воспроизводимости результатов необходимо после каждого пробоя менять пробы испытуемого жидкого диэлектрика, а также ограничивать величину тока и время его протекания.