Лабораторная работа ’3 Определение электрической прочности твердых диэлектриков Цель работы- Изучен.html

Работа добавлена на сайт samzan.net:

По своему назначению электроизоляционные материалы не должны под действием  постоянного приложенного напряжения пропускать электрический ток (под действием  переменного приложенного напряжения всякий диэлектрик пропускает переменный емкостной ток). Однако, все практически используемые в электрической технике диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов : ионов , молионов (коллоидных частиц), иногда электронов, которые под воздействием электрического поля могут перемещаться . Поэтому диэлектрики на постоянном напряжении пропускают небольшой ток , называемый сквозным током утечки или током проводимости.

Для твердых диэлектриков сквозной ток утечки складывается из объемного тока утечки Iv и поверхностного тока утечки Is, которые определяют величину объемного   Rv и поверхностного  Rs сопротивления.

Электропроводность твердого диэлектрика характеризуют удельная  объемная γv и удельная поверхностная γs проводимости. Величина , обратная проводимости, называется  удельным сопротивлением ρ. Для твердых диэлектриков ρv  лежит в  пределах Ом∙м. В твёрдых диэлектриках , используемых в технике – картонах, бумагах, лаках, эмалях, компаундах, полимерах, стеклах, пленках, керамиках и других наблюдается ионная электропроводность, связанная с переносом ионов, т. е. явлением электролиза.

Под действием света, радиации, небольшом нагреве   сначала ионизируются содержащиеся в диэлектриках в небольших количествах примеси и дефекты. Такими примесями могут быть органические кислоты, щелочные оксиды, влага и другие загрязнения, молекулы которых распадаются на ионы. В этом случае ток проводимости представляет собой направленное перемещение свободных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул примесей. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную  область электропроводности твердого диэлектрика. При повышении температуры и при приложении к твердым диэлектрикам больших напряжений в них образуются собственные свободные ионы и электроны, которые создают ток проводимости. Удельная объемная проводимость при достижении некоторой температуры резко возрастает и наступает высокотемпературная собственная электропроводность. Рисунок 1.1 отображает эту зависимость:

                         

                                                                                                                             

Рисунок 1.1 - Зависимость удельной объемной проводимости твердого диэлектрика          от  температуры:

1.  низкотемпературная примесная электропроводность;
2.  высокотемпературная собственная электропроводность.

Электронная электропроводность твердых диэлектриков становится преобладающей в сильных электрических полях. В слабых электрических полях  электронная электропроводность незначительна.

Даже малые примеси оказывают заметное влияние на электропроводность диэлектриков. Многие диэлектрики, используемые в электрической изоляции, являются гигроскопичными. Небольшое количество влаги, поглощаемое гигроскопичным образцом, существенно уменьшает его сопротивление. Следовательно, поверхностная электрическая проводимость твердых диэлектриков зависит от степени увлажнения. Чем сильнее увлажнение, тем меньшим удельным поверхностным сопротивлением обладает твердый диэлектрик. Для уменьшения проводимости гигроскопичных электроизоляционных материалов, их поверхность покрывают гидрофобными (не смачиваемые водой) покрытиями – лаками, эмалями; пористые электрокерамические материалы покрываются глазурью; пористые диэлектрики пропитываются жидкими или твердеющими компонентами, которые плохо увлажняются.

Под действием приложенного электрического напряжения диэлектрик способен поляризоваться, т. е. происходит ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов.

Различают 4 основных вида поляризации:

1.  Электронная поляризация – упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика. Это мгновенный процесс, происходящий за с. Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков: полярных, неполярных, с ионной  кристаллической решеткой.
2.  Ионная поляризация представляет собой упругое смещение друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов. Ионная поляризация завершается за с.

Электронная и ионная поляризации относятся к быстрым, нерелаксационным  поляризациям, совершаются в диэлектриках под действием электрического поля мгновенно и без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла.

1.  Дипольная поляризация происходит в полярных диэлектриках. Она представляет собой поворот (ориентацию) полярных молекул (диполей). Для ориентации диполя в направлении электрического поля требуется некоторое время релаксации τ. После снятия внешнего поля в течение τ ориентация полярной молекулы под действием теплового движения уменьшается в е раз (е – основание натурального логарифма). Время релаксации прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре.

Так как при повороте диполей в направлении поля ими преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольная поляризация сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагреванием. Дипольная поляризация относится к неупругим, релаксационным поляризациям, нарастает и убывает замедленно и завершается за время  с.

Различают два вида дипольной (релаксационной) поляризации:

            - электронно-релаксационная;

                  - ионно-релаксационная.

Ионно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, имеющих неплотную упаковку объема частицами.

Способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подачи напряжения, образовывать емкость, характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

Диэлектрическая проницаемость ε - важнейший параметр диэлектрика, характеризующий процесс поляризации, она может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком.

                                                          C=S/h                                                       (1)    

где          С - емкость конденсатора, Ф;

               ε0 - электрическая постоянная,  ε 0=8,84*10 Ф/м;

               ε - диэлектрическая проницаемость;

               S - площадь электродов, м;

               h -  расстояние между электродами, м.

Диэлектрическая  проницаемость  зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения.

У неполярных диэлектриков однородной структуры имеется только электронная поляризация, поэтому их диэлектрическая проницаемость невелика ε =1-2,2.

Диэлектрическая  проницаемость полярных диэлектриков определяется постоянным электрическим (дипольным) моментом молекулы и размером молекулы, лежит в пределах от 2 до 80, т. е. ε >n.

Диэлектрическая  проницаемость зависит от многих факторов: температуры, частоты приложенного напряжения, влажности и др.

Рисунки 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 показывают эту зависимость:

Рисунок 1.2 - Зависимость диэлектрической проницаемости ε от частоты для твердых      неполярных диэлектриков.

                       1 - фторопласт-4;

                       2 – полистирол.

Рисунок 1.3 - Зависимость диэлектрической проницаемости  от температуры для  неполярных  диэлектриков.

        1 - парафин;

        2 – полистирол.

Рисунок 1.4 - Зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры  диэлектриков ионного строения.

                            1 – бесщелочное стекло;

                            2 – обычное стекло.

Рисунок 1.5 - Зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры для  полярных диэлектриков.

Рисунок 1.6. Зависимость ε от частоты для полярного диэлектрика при различных  температурах.

Для полярных диэлектриков в области низких температур, когда вещество обладает большой вязкостью или находится в кристаллическом состоянии, ориентация дипольных молекул затруднена и диэлектрическая проницаемость изменяется слабо.

При повышении температур возможность ориентации диполей облегчается и ε резко возрастает, но при еще более высоких температурах вследствие усиления хаотических тепловых колебаний молекул снижается и ε уменьшается.

                                        1.2 Пробой твердого диэлектрика

При повышении напряжения, приложенного к слою изоляции сверх допустимого значения происходит пробой изоляции. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик резко возрастает до 10А/м, а сопротивление диэлектрика резко уменьшается. При этом в месте пробоя диэлектрика образуется   сквозной   канал, обладающий  большой  проводимостью. В  месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника – электрическая дуга, под действием которой происходит оплавление, обгорание,  растрескивание и подобные изменения диэлектрика и электродов. В  пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя обнаруживается пробитое, проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если  к  такому образцу  твердой  изоляции  приложить  напряжение  повторно,   то

пробой, как правило происходит при значительно меньших напряжениях. Пробой твердой изоляции в электрической машине, аппарате, кабеле и т. п. означает аварию, выводящую данное устройство из строя.

Пробивное напряжение U электрической изоляции зависит от ее толщины, т. е. расстояния между электродами. Слои одной и той же толщины различных материалов имеют различные значения  U.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции U должно быть существенно меньше пробивного напряжения U.

Отношение U/ U называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции

                                                            К=U/U                                                      (2)

                               где  К - коэффициент запаса,

                                      U - пробивное напряжение, В,

                                      U- рабочее напряжение изоляции, В.

Различают 4 вида пробоев твердых диэлектриков:

1. Электрический пробой макроскопических однородных иэлектриков

1.  электрический пробой неоднородных диэлектриков
2.  тепловой пробой
3.  электрохимический пробой

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика, наличия в нем дефектов, примесей и условий определения электрической прочности.

Электрический пробой имеет место при испытаниях на импульсах с длительностью 10с. и  для него характерными являются следующие признаки:

•  отсутствие участка насыщения, характерного для газов и жидкостей
•  при увеличении напряженности ток перед пробоем растет экспоненциально
•  электрический пробой начинается с ударной ионизации, возникающей при больших напряжениях, приложенных к диэлектрику. Процесс ударной ионизации твердых диэлектриков схож с процессом ударной ионизации газов и жидкостей. В результате частых соударений свободных электронов с молекулами или атомами диэлектрика освобождаются все новые электроны, которые создают электронную лавину, пронизывающую твердый диэлектрик по всей его толщине. Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электронов и завершается в течение 10с. Поэтому при меньших временах выдержки пробой не успевает завершиться и Е растет. Пробой тонких (толщиной 10м) диэлектрических пленок обусловлен формированием многих электронных лавин и поэтому требует более длительного времени - 10с. Для того, чтобы в таких пленках образующиеся при пробое электронные лавины приобрели достаточную для пробоя мощность, необходимо увеличить напряженность электрического поля.

При электрическом пробое электрическая прочность мало зависит от толщины диэлектрика и его температуры (см. рисунок 7).

 

Рисунок 1.7 зависимость электрической прочности Е от температуры Т при переменном напряжении.

I – область чисто электрического пробоя

II – область электротеплового пробоя

При электрическом пробое в однородном поле Епр больше, чем в неоднородном.

Величина Епр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попадает в объем между электродами. Такое уменьшение электрической прочности характерно для бумаг, картонов, лакотканей, пористых керамик. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасны при высоких частотах. Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений (слюда, стекло, тщательно пропитанная бумага).

Электротепловой или тепловой пробой связан с нагревом изоляции в электрическом поле диэлектрическими потерями. Этот вид пробоя происходит в том месте, где наихудшие условия теплоотвода, т.е. нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающуюся среду. Тепловой пробой твердого диэлектрика развивается следующим образом: на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется теплота потерь и температура его повышается, а это приводит к увеличению потерь. Процесс идет интенсивнее, и в зависимости от природы материала в диэлектрике могут произойти изменения: расплавление, обугливание, прожигание. Собственная электрическая прочность снизится настолько, что произойдет пробой.

Электрическая прочность при тепловом пробое в значительной степени зависит от температуры и уменьшается с увеличением толщины твердого диэлектрика, отвод теплоты от него будет затруднен. Это приводит к перегреву места пробоя, и тепловое разрушение диэлектрика произойдет при меньшей напряженности электрического поля.

При электротепловом пробое пробивное напряжение Uпр зависит от частоты приложенного напряжения, от температуры окружающей среды: при возрастании частоты и температуры Uпр уменьшается; от нагревостойкости материалов пробивное напряжение органических диэлектриков (полистирол) имеет меньшее значение, чем неорганических (керамика, кварц).

Электрохимический пробой (старение диэлектрика) – вид медленно развивающегося пробоя, связанного с химическим изменением материала в электрическом поле.

Механизмы электрического пробоя различаются для органических и неорганических диэлектриков.

Для органических диэлектриков основной причиной старения являются частичные разряды, на переменном напряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении образуются дендриты – древовидные ветвящиеся трубочки, заполненные образующимся в результате разложения полимера газом. С течением времени они пронизывают всю толщу диэлектрика, замыкая электроды заполненным газом канала, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно – масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпоксидных смол.

Старение неорганических диэлектриков протекает  более интенсивно на постоянном напряжении. В процессе ионной электропроводности происходит перенос ионов, т.е. вещества, что приводит к необратимому изменению химического состава материала в объеме образца или изделия. Поэтому Епр диэлектрика уменьшается и происходит его пробой.

Электрические свойства основных электроизоляционных материалов, применяемых в электротехнике, приведены в табл.1

Наименование диэлектрика	Электрические параметры при t=20°C
	ρV, Ом∙м	ε  при f = 50Гц	tg(δ)  при f = 50Гц	Епр, МВ/м	Примечания
термопласты	полиэтелен	1013 - 1015	2,2 – 2,4	(2 – 6)*10-4	35 - 60	150 для тонких пленок
	фторопласт – 4	1016 - 1017	1,9 – 2,2	(1 – 3)*10-4	35 - 50	100 – 120 для тонких пленок
	полистирол	1014 - 1015	2,4 – 2,6	(1 – 5)*10-4	20 - 35	100 – 120 для тонких пленок
	поливинилхлорид	109 - 1013	3,1 – 3,4	0,015 – 0,018	35 – 45
	полиамид	1015 - 1016	3,5	(1 - 2)*10-3	30	200 для тонких пленок
	лавсан	1014 - 1015	3,1 – 3,2	(3 – 10)*10-3	20	180  для тонких пленок
реакто-пласты	эпоксидные полимеры	1012 - 1013	3,0 – 4,0	0,01 – 0,03	20 – 80
	фенолформальдегид-ные смолы	109 - 1010	5,0 – 6,5	0,06 – 0,1	12 – 16
	кремнийорганические	1012 - 1014	3,5 – 5,0	0,01 – 0,03	15 – 25
бумага конденсаторная	104		0,001 – 0,0018	19 - 50	Uпр=240 – 600
бумага конденсаторная про-питанная нефтяным конденсаторным маслом				250 -300
картон электроизоляционный				8 – 13	для работы в воздушной среде
				40 – 85	для аппаратов с масляным заполнением
фибра	106 - 107			3,5 – 7,5
гетинакс	108 - 1011	6 – 8	0,02 – 0,08	12 – 35
текстолит	107 - 1010	5 – 8	0,06 – 0,19	3 - 10	при t=90°
стеклотекстолит	108 - 1012	6 – 9	0,006 – 0,06	7 – 27
микалит коллекторный	1010 - 1012		0,01 – 0,03	19 – 22
микалит гибкий	1011 - 1012		0,03 – 0,08	16 – 28
микалекс	1010 - 1012		0,002 – 0,04 при 106Гц	12 – 18
лакоткань х/б на масляных лаках h= 0,15-0,30 мм	1011 - 1012			24 - 40	Uпр=4 – 9,5 кВ
лакоткань шелковая на масляных лаках h=0,04-0,15 мм	1012 - 1013			38 - 72	Uпр=0,4 – 9,8 кВ
Лакоткань х/б на масляно – битумном лаке h=0,17-0,24 мм	1011 - 1013			31,6 - 45	Uпр=4,5 – 9,2 кВ
Лакоткань стеклянная на кремнийорганических лаках	1012 - 1013			18 - 45	Uпр=1,5 – 3,5 кВ
слюдо-пласты	коллекторный	1010 - 1011			22 – 24
	фореновочный	1011 - 1012			32 – 55
	прокладочный	1011 - 1012			20 – 26
Слюдо-ниты	коллекторный	1010 - 1011			28 – 35
	гибкий	1011 - 1012			17 – 26
бакелит	108 - 1011	4,0	0,01	12	50 для тонких пленок
кварцевое стекло	1016	3,8-4,2	(2 - 3)*10-4	40- 400*	400 для тонких пленок
щелочные стекла	1010 - 1015	5 – 10	(5 - 250)*10-4	40- 400*
сигаллы	108 - 1012	5 – 10	(1 - 80)*10-3	25 - 85
злектрофарфор	1011 - 1012	5 – 8	0,022 – 0,025	30 – 32
ультрафарфор	1012 - 1013	8 – 8,8	0,0005–0,001	30 – 36
стеатит	1013 - 1014	6,5 – 7	0,001 – 0,003	40 – 42

Таблица  №1: Основные свойства твердых диэлектриков.

                                2. Описание лабораторной установки.

Принципиальная схема лабораторной установки для испытания диэлектриков показана на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема измерения Uпр при переменном напряжении.

Принцип работы аппарата для испытания изоляции типа АИИ-70 (см. приложение 1).

Испытательная установка содержит:

АТ – лабораторный трансформатор, предназначенный для плавного регулирования напряжения, подводимого к испытательному трансформатору.

Т – испытательный трансформатор для повышения напряжения типа АИИ-70.

3К – защитная камера, в которой располагается образец 3 с электродами 1,2.

R – защитный резистор, предназначенный для ограничения тока в схеме при пробое испытуемого образца.

Лс – лампы сигнальные, одна лампа установлена над дверью ограждения, вторая – на пульте управления.

Бк – блокировочный контакт, установлен на двери ограждения и предназначен для разрыва цепи питания трансформатора в случае ошибочного открывания двери ограждения при включенной установке.

                     3. Содержание и порядок выполнения работы.

1.  Ознакомиться со схемой лабораторной установки, изучить устройство и принцип работы аппарата АИИ – 70. (приложение 1)
2.  До включения лабораторной установки в сеть выполнить следующее:
   •  проверить надежность заземляющего провода;
   •  подготовить образцы для испытаний согласно заданию. (выдает преподаватель);
   •  определить микрометром толщину испытываемого образца;

•  установить рукоятку регулировочного автотрансформатора АТ в нулевое положение;
  •  поместить подготовительный образец между электродами так, чтобы края образца были на 20 – 30мм  больше электродов;
  •  Включить лабораторную установку в сеть при помощи автоматического включателя S1 (приложение 1). С помощью регулировочного автотрансформатора плавно изменять напряжение от нуля до пробивного напряжения. Время повышения напряжения до пробоя должно составлять около 10сек. В качестве пробивного напряжения фиксируют наибольшие показания вольтметра перед моментом пробоя. После пробоя рукоятку регулировочного автотрансформатора АТ повернуть до предела против часовой стрелки, установить в нулевое положение и отключить установку.

1.  Снять по описанной методике зависимость Uпр от толщины  образца (Uпр=f(h)). Определение пробивного напряжения образца от толщины  проводится на образцах из 2, 4 и 6 слоев.
2.  На каждом выданном образце произвести три пробоя и найти средний  результат. Результаты испытаний занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1   Результаты исследования электрической прочности твердых диэлектриков в однородном электрическом поле.

Кол-во слоев исследу-емого образца	Исследуемый образец
	Толщина слоя, h см	Напряжение пробоя	Электрическая прочность
		U1пр, кВ	U2пр,  кВ	U3пр, кВ	Uср.пр, кВ	E1пр, МВ/м	E2пр, МВ/м	E3пр, МВ/м	Eср.пр, МВ/м

     Электрическая прочность рассчитывается по формуле:

                                                     Епр=Uпр/h,                                                           (2)       

                      

                                          где Е – электрическая прочность, МВ/м;

                                                Uпр – пробивное напряжение, В (кВ);

                                                 h – толщина исследуемого диэлектрика, м (см).

 

5. Произвести определение пробивного напряжения от толщины образца Uпр= f(h) в  неоднородном электрическом поле аналогично п. 2-4. Результаты испытаний занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2   Результаты исследования электрической прочности твердых диэлектриков в неоднородном электрическом поле.

Кол-во слоев исследу-емого образца	Исследуемый образец
	Толщина слоя, h см	Напряжение пробоя	Электрическая прочность
		U1пр, кВ	U2пр,  кВ	U3пр, кВ	Uср.пр, кВ	E1пр, МВ/м	E2пр, МВ/м	E3пр, МВ/м	Eср.пр, МВ/м

                                              4.Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

•  принципиальную схему лабораторной установки;
  •  таблицы результатов испытаний 3.1,  3.2 ;
  •  графики зависимости Uпр=f(h) и Eпр=f(h) для исследуемых образцов при различной толщине слоев;
  •  Выводы: дать сравнение изоляционных свойств исследованных материалов, преимущества и недостатки этих материалов, связанных с их областью применения.

Контрольные вопросы.

1.  В чем различие между ионной и ионнорелаксационной поляризацией? Что характеризует время релаксации и от каких факторов оно зависит?
2.  Назовите носители зарядов, создающих токи утечки в твердых диэлектриках? Каков механизм электропроводимости твердых диэлектриков?
3.  По каким признакам можно выявить механизм пробоя твердых диэлектриков?
4.  Каков механизм пробоя характерен для диэлектриков при импульсном воздействии высокого напряжения?
5.  Почему более толстые слои диэлектриков, как правило, имеют меньшую электрическую прочность?
6.  Какие факторы влияют на величину электрической прочности твердых диэлектриков и почему?
7.  Какие виды твердых диэлектриков Вы знаете ? В чем их существенное отличие друг от друга?
8.  Что собой представляют быстрые и медленные виды поляризации?
9.  Что собой представляют диэлектрические потери? Какие параметры их характеризуют?
10.   От каких факторов зависят диэлектрические потери?
11.   Что представляют собой процессы электрического электротеплового и   электрохимического пробоя?
12.   Какие виды твердых диэлектриков обладают максимальной (минимальной) электрической прочностью? Чем это обусловлено?
13.   Какие Вы знаете способы улучшения  электрической прочности и других электрических характеристик твердых диэлектриков?

  

  

      γv, см

Т, 0К

 ~

3К

2

1

T

R

СЛ

mA

kV

T

1. Вальтер скотт в интерпретации русских архаистов
2. Россия и Евросоюз- сотрудничество и переговоры
3. 20 лет Конституции Российской Федерации избирательной системы и парламентаризма- проблемы теории и практик
4. ИстокФарм Дорогие Лебедянцы и гости города Мы рады сообщить вам о появлении в нашем городе филиала м
5. ВосточноСибирский государственный технологический университет ГОУ ВПО ВСГТУ Методические
6. Историческая тема в творчестве МН Загоскина
7. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук
8. Topic Wht I hve lerned bout the topic
9. Системы и сети связи на GPSS-PC
10. сложное и многоаспектное понятие.html
11. Тема- Ассортимент технология приготовления оформление пирогов из дрожжевого теста Студентка - Логин
12. ЦЕНТРИНВЕСТПРОЕКТ
13. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата економічних наук Харків
14. наша высшая степень родства Не проходит и месяца чтобы без качества цвета Там где сущность троится мы
15. Лекция 1- Информатика и информация.html
16. Перспективы развития электронных денег в России
17. Государственный надзор за страховой деятельностью в РФ
18. Мастер и Маргарита М Булгакова
19. Введение Начальная школа ставит перед собой задачу формирования способности к усвоению системы научных зн.
20. Контрольная работа на тему ldquo;Философия истории Карла Марксаrdquo;

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе