Электроизоляционные материалы

Электроэнергетический факультет
Кафедра
электроснабжения и эксплуатации
электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 4
Электроизоляционные материалы
ЛЕКЦИЯ № 8
Электропроводимость диэлектриков
Учебные цели
1. Знать процесс образования токов
смещения.
2. Знать природу электрической
проводимости диэлектриков.
Учебные вопросы
Введение
1. Токи смещения.
2. Электропроводимость газов и
жидких диэлектриков.
3. Электропроводимость твердых
диэлектриков.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
Поляризационные процессы смещения
зарядов приводят к появлению токов смещения
(IСМ) в диэлектриках.
Токи IСМ очень кратковременны при
электронной и ионной поляризациях.
Свободные заряды в диэлектриках приводят
к возникновению небольших токов сквозной
электропроводности І СК .
1. Токи смещения
Токи абсорбции (І а б) - токи смещения (IСМ)
при замедленной поляризации.
При постоянном U токи І а б протекают по
диэлектрику в моменты включения и
выключения источника э. д. с.
При переменном U токи І а б текут
непрерывно пока диэлектрик находится в
электрическом поле.
Плотность тока утечки J УТ - сумма плотностей
абсорбционного J а б и сквозного JСК токов:
J ут = J аб + J ск
(1)
Плотность J СМ включает мгновенные и
замедленные смещения зарядов.
На рисунке 1 показаны емкости при
замедленных ( Σ С Р ) и мгновенных (С МГН )
механизмах поляризации.
После завершения процессов поляризации
(1мин) через изолятор проходит только ток І СК
Рисунок 1 – Зависимости J и С конденсатора с
ТД от времени в постоянном электрическом
поле
Проводимость ТД при постоянном U определяется
током ІСК , а при переменном U - током ІСК и
активными составляющими поляризационных
токов.
Электропроводность диэлектриков
ионная, реже - электронная.
Сопротивление изоляции при постоянном U:
R из = U / ( І ут - І аб )
(2)
ТД имеют объемную и поверхностную
электропроводности (оценивают удельными
объемным ρ и поверхностным ρ S
сопротивлениями).
Удельное сопротивление ρ (Ом∙м) сопротивление куба с ребром в 1м, выделенного из
ТД, если электрический ток проходит через две
противоположные грани.
Для плоского образца ТД:
ρ=R(S/h)
(3)
где R - объемное сопротивление, Ом;
S - площадь электрода, м2;
h - толщина образца, м.
По сопротивлению ρ определяют удельную
объемную проводимость γ = 1 / ρ ,
а по сопротивлению ρ S удельную поверхностную
проводимость: γS = l / (ρ S ).
На рисунке 1 увеличение ІСК (кривая 2)
происходит из-за постоянно протекающего в
процессе старения, способном привести к пробою.
Уменьшение ІСК (кривая 1) из-за того, что
электропроводность ТД обусловлена ионами
посторонних примесей.
Удельное сопротивление ρS - сопротивление
квадрата, выделенного на поверхности ТД (ток
течет через две противоположные стороны):
ρS=RS(d/l)
(4)
где R S - поверхностное сопротивление ТД
между параллельными электродами шириной d на
расстоянии l (рисунок 2).
Рисунок 2 – План размещения электродов (1) на
поверхности ТД (2) при измерении удельного
поверхностного сопротивления
2. Электропроводность газов и жидких
диэлектриков
Газы при малой напряженности поля Е
обладают малой проводимостью γ. Ток в газах
возникает при наличии ионов или свободных
электронов.
Ионизация молекул газа возникает под
действием внешних факторов или соударений
ионизированных частиц газа с молекулами газа
(ударная ионизация).
Внешние факторы проводимости рентгеновские, ультрафиолетовые и космические
лучи, а также сильный нагрев газа.
Процесс ионизации газа сопровождается
процессом рекомбинации зарядов (препятствует
безграничному росту числа ионов).
Ионизированный газ находится между двумя
электродами, к которым приложено напряжение.
Ионы перемещаются и в цепи возникает
электрический ток. Часть ионов нейтрализуется
на электродах, а часть исчезает за счет
рекомбинации зарядов.
На рисунке 3 показана зависимость
электрического тока от напряжения для газа.
Рисунок 3 - Зависимость тока от напряжения для
газа
На начальном линейном участке (до UН)
выполняется закон Ома: J = γ ∙Е .
На участке около UН ионы уносятся к
электродам конденсатора и разряжаются на них
(ток стабилизируется - IСТ).
На рабочем участке от UН до UKР течет ток
насыщения (стабилизации) газа (IСТ).
Воздух (Е = 0,6 В/м) хороший диэлектрик,
пока не создадутся условия для ударной
ионизации (начала пробоя) газа.
При ударной ионизации (участок за UKР) ток
насыщения резко увеличивается и наступает
пробой газа между электродами.
Электропроводность ЖД связана со строением
молекул изолятора.
В неполярных ЖД электропроводность
определяется наличием диссоциированных
примесей, в том числе влаги, а в полярных - от
примесей и диссоциированных молекул самой
жидкости.
Электрический ток в ЖД обусловлен
передвижением ионов и перемещением крупных
заряженных коллоидных частиц.
Удалить примеси сложно, поэтому получить
ЖД с малой проводимостью γ трудно.
Проводимость γ любого ЖД сильно зависит
от температуры Т.
С увеличением температуры вязкость ЖД
уменьшается, подвижность ионов возрастает и
увеличивается их тепловая диссоциация.
Эти факторы усиливают рост удельной
проводимости:
γ = А ехр (- а / Т),
где А и а - постоянные, характеризующие
материал изолятора.
(5)
3. Электропроводность твердых диэлектриков
Проводимость ТД зависит от передвижения
ионов и ионов случайных примесей.
Вид электропроводности ТД определяют
используя закон Фарадея (ионная проводимость
идет с переносом зарядов на электроды).
При протекании электрического тока через
ТД часть ионов примесей удаляется, выделяясь
на электродах, что приводит к уменьшению
проводимости и сквозного тока (рисунок 1).
В ТД ионного строения проводимость
обусловлена перемещением ионов (флуктуация
теплового движения зарядов).
При низких Т0С передвигаются слабо
закрепленные ионы примесей ТД, а при высоких ионы кристаллической решетки.
В ТД с атомной (молекулярной) решеткой
проводимость зависит от наличия примесей.
В ТД закон Ома соблюдается при малых
напряженностях поля Ε (концентрация NТ и
подвижность μ заряда не зависят от Ε).
Удельная проводимость при Т0С (См/м):
γ = q ‧ NТ ‧ μ Т
(6)
где q – заряд иона, Кл; NТ - число носителей в
единице объема, м -3; μ Т - подвижность носителей
заряда, м2 / (В∙с).
Скорость перемещения ионов и электронов:
υ = μ ∙ Ε (соблюдается закон Ома).
Подвижность электронов μ Э больше, чем
подвижность ионов μ Т .
В керамике подвижность μ Т = 10 -16 м2/(В∙с).
При ионной электропроводности ТД число
диссоциированных ионов:
(7)
где N - общее число ионов в 1 м3; ЭД - энергия
диссоциации; k T - тепловая энергия.
Подвижность иона:
(8)
где μ mах - предельная подвижность иона;
ЭПЕР - энергия перемещения.
Подставляя NТ и μ Т в (6) и объединяя постоянные
N, q и μ mах в коэффициент АТ, получаем:
γ = А Т ехр (- b / Т),
(9)
где параметр b = ( ЭД + ЭПЕР ) / k
Параметр b = 10000 - 22000 К.
Чем больше энергии диссоциации ЭД и
перемещения ЭПЕР ионов, тем значительнее
электрическая проводимость ТД.
При ЭД >> ЭПЕР температурная зависимость
определяется концентрацией ионов ТД.
При низких Т0С проводимость γ зависит от
ионизированных примесей ТД, а при высоких - от
собственных.
Для расчета зависимостей параметров γ и ρ
от температуры Т используют формулы:
γ = γ 0 ехр [ α Т ( Т – Т 0 ) ],
(10)
ρ = ρ 0 ехр [ α ρ ( Т – Т 0 ) ]
(11)
где γ 0 и ρ 0 - соответственно удельные объемные
проводимость и сопротивление при Т = То;
| α Т | = | α ρ| - соответствующие температурные
коэффициенты ТД.
У пористых ТД при наличии влаги значительно
увеличивается проводимость γ.
Сушка ТД повышает сопротивление ρ, а
увлажнение уменьшает.
У пористых ТД с растворимыми в воде
примесями снижается удельное объемное
сопротивление (в объеме образуется электролит с
высокой проводимостью γ).
ТД для уменьшения влагопоглощения
пропитывают стойкими к влаге веществами.
Электропроводность γs обусловлена влагой,
загрязнениями и дефектами на поверхности ТД.
Вода обладает хорошей проводимостью γ. При
слое влаги на поверхности появляется
проводимость γs (зависит от толщины слоя).
Сопротивление пленки влаги связано с
природой ТД, поэтому проводимость γs
рассматривают как свойство самого изолятора.
Впитывание поверхностью ТД воды зависит
от влажности окружающей среды. Это решающий
фактор, определяющий проводимость γs ТД.
У полярных ТД происходит увеличение
проводимости γs, т.к. на поверхности образуется
пленка электролита и липнет проводящая
электрический ток грязь.
Проводимость γs ТД тем ниже, чем меньше
поляризуемость и чище поверхность изолятолра.
Загрязнения поверхности ТД слабо влияют на
проводимость γs гидрофобных и сильно гидрофильных диэлектриков.
Выводы
Высокой проводимостью γs обладают и
объемно-пористые ТД (процесс поглощения влаги
в глубь материала стимулирует образование
пленки воды на поверхности).
Для уменьшения проводимости γs применяют
приемы очистки поверхности - промывку
специальными жидкостями и водой с
последующей просушкой ТД.
Эффективными способами очистки поверхности
ТД является кипячение в чистой воде и покрытие
керамики пленкой кремнийорганических лаков.