Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках

В связи с тем, что твердые вещества обладают разнообразным составом и строением, в них возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной структуры зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами и не имеющие при­месей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким ди­электрикам относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторо­пласт - 4), церезин и др. Указанные диэлектрики в связи с малыми потерями целесообразно использовать при высоких частотах.

Диэлектрики с полярными молекулами, для которых характерна дипольно-релаксационная поляризация, обладают большими потерями, которые сущест­венно зависят от температуры. К ним относятся: полиметилметакрилат ( орга­ническое стекло), бумага, картон, полиамиды ( капрон и др.), полиуретан, ба­келит, каучуковые материалы и др. Кривая зависимости от температуры для бумаги показана на рис.3.6.

Рис.3.6.Зависимость для бумаги.

Возрастание после перехода через минимум объясняется увеличением потерь от электропроводности.

Диэлектрические потери в твёрдых веществах с ионной структурой зави­сят от особенностей расположения ионов в решётке. В веществах с кристалли­ческой структурой с плотной упаковкой ионов диэлектрические потери при от­сутствии примесей незначительны. Наличие примесей, искажающих кристал­лическую решётку, приводит к резкому увеличению диэлектрических потерь. При высоких температурах в этих диэлектриках появляются потери, обуслов­ленные сквозной электропроводностью. Данные вещества нашли широкое при­менение при производстве электротехнической керамики, например, корунд

Для кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов харак­терна релаксационная поляризация, вызывающая увеличение диэлектрических потерь. При увеличении температуры число ионов, участвующих в релаксаци­онной поляризации, постоянно увеличивается и поэтому в зависимости отсутствует максимум. Применяются данные вещества в основном при производстве изоляторного фарфора, огнеупорной керамики. Примером та­ких веществ служат циркон (компонент огнеупорной керамики), муллит( ком­понент изоляторного фарфора), - глинозём и др.

Диэлектрические потери в аморфных веществах с ионной структурой имеют характерные особенности. Примером таких веществ являются неоргани­ческие стекла. Вследствие локальных неоднородностей структуры стекол ре­лаксационные потери характеризуются широким набором времени релаксации. Это приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в темпе­ратурной и частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь. На величину диэлектрических потерь в данных веществах существенно влияют любые нарушения структуры (отжиг, закалка, введение добавок и т.д.). Кроме потерь, обусловленных поляризацией, в стеклах могут возникать потери, свя­занные с электропроводностью, которые вызываются передвижением слабосвя­занных ионов. Проявляются они, как правило, при температурах

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем в обычных ди­электриках. Они мало изменяются при изменении температуры в области само­произвольной поляризации и резко уменьшаются при температуре выше точки Кюри, когда самопроизвольная поляризация исчезает.

К твердым веществам неоднородной структуры принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов. Характерным представите­лем таких диэлектриков является керамика. В составе керамики различают кри­сталлическую фазу, стекловидную фазу и газовую фазу. Количественное соот­ношение между кристаллической и стекловидной фазами, фактически и опре­деляет диэлектрические потери в керамике. Наличие газовой фазы приводит к увеличению диэлектрических потерь в керамике, когда при высоких напряжен-ностях поля возникает ионизация.

Диэлектрические потери в пропитанной бумаге зависят от электрических свойств её компонентов ( волокон целлюлозы и пропитывающего состава), а также от наличия воздушных включений. Зависимость tgS от температуры для бумаги, пропитанной маслоканифольным компаундом, приведена на рис.3.7.

Первый максимум при отрицательных температурах связан с дипольно-релаксационными потерями в целлюлозе, а второй - с дипольно-релаксационными потерями в пропитывающем компаунде.

К неоднородным диэлектрикам относятся также широко применяемые в электроизоляционной технике различные пластмассы с наполнителями, слюдя­ные изделия (миканиты, микалексы), каучуковые изделия с наполнителями и т.д.

Рис.3.7. Зависимость от температуры для бумаги, пропитанной маслока-

нифольным компаундом.

Рассмотрим изменение активных потерь в диэлектрике от внешних фак­торов на конкретном примере.

Задача. При комнатной температуре тангенс угла диэлектрических потерь ультрафарфора ,. а при возрастании температуры до С он уве-

личивается в два раза. Чему равен этого материала при температуре 200

?. Во сколько раз увеличится активная мощность, выделяющаяся в высоко­частотном проходном изоляторе из этого материала, при изменении температу­ры от 20 до С? Изменением диэлектрической проницаемости керамики можно пренебречь.

Потери в ультрафарфоре обусловлены сквозной электропроводностью, по­этому тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается с температурой по экспоненциальному закону

где - значение при С; а - температурный коэффициент, кото-

рый может быть найден из выражения

Тогда

В связи с тем, что активная мощность в изоляторе растет с температурой пропорционально , запишем

Литература: [1 с.43 -57.]

Контрольные вопросы:

1.Опишите процессы, обуславливающие диэлектрические потери в диэлек­триках.

2.Перечислите параметры, характеризующие диэлектрические потери в ма­териалах.

3.Приведите схемы замещения диэлектрика с потерями и укажите условия их эквивалентности. Постройте векторные диаграммы для каждой схемы.

4. Опишите виды диэлектрических потерь и дайте им краткую характеристи­
ку.

5. Укажите факторы , которые оказывают влияние на величину диэлектриче­
ских потерь.

6. Дайте характеристику диэлектрических потерь в газах.

7.Дайте характеристику диэлектрических потерь в жидких диэлектриках. 8. Дайте характеристику диэлектрических потерь в твёрдых диэлектриках.

Пробой диэлектриков.

При превышении приложенного к диэлектрику напряжения выше некоторого критического значения изоляционные свойства нарушаются, и происходит образо­вание проводящего канала. При этом ток утечки через диэлектрик резко возрастёт, а сопротивление соответственно уменьшится. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Зави­симостьтока от приложенного напряжения показана на рис.4.1.

 

 

Рис.4.1.Вольт-амперная характеристика электрической изоляции.

Точка А, для которой соответствует пробою. Значение напряжения ,

при котором происходит пробой называется пробивным напряжением , а соот­ветствующее значение напряжённости электрического поля - электрической проч­ностью Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектри­ке где - толщина диэлектрика. В большинстве случаев при увеличении h значение Е_пр уменьшается нелинейно.

Электрическая прочность высококачественных твёрдых диэлектриков, как пра­вило, выше жидких и тем более газообразных диэлектриков. Однако, газообразные и жидкие диэлектрики, в отличии от твердых, после пробоя могут через некоторый промежуток времени восстановить свои свойства при отсутствии напряжения.

Для надёжной работы любого электротехнического устройства рабочее напря­жение его изоляции должно быть значительно меньше пробивного напряжения.

Физическая сущность развития пробоя различна. Различают следующие виды пробоя: чисто электрический, электротепловой, электромеханический, электрохи­мический, ионизационный.

Чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электри­чески заряженные частицы в диэлектрике. Этот вид пробоя развивается практически мгновенно. Если сразу после приложения напряжения не произошел электрический пробой, то теоретически это напряжение диэлектрик должен выдерживать длитель­ное время. Это положение не относится к пробою диэлектрика кратковременными импульсами.

Электротепловой пробой связан с нагревом диэлектрика в электрическом поле в результате диэлектрических потерь. Процесс нагрева диэлектрика протекает по­стоянно усиливаясь. Это приводит к существенному изменению структуры диэлек­трика (расплавлению, обугливанию, растрескиванию) и уменьшению его электриче­ской прочности. При этом достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место ди­электрика, в котором теплоотдача хуже или повышены удельные потери, а средняя температура всего диэлектрика может практически не отличаться от первоначаль­ной. При хорошем теплоотводе может наступить равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду. В этом случае диэлек трик может длительное время работать под напряжением. Если отвод тепла затруд­нен, то даже незначительное напряжение, приложенное к диэлектрику, через неко­торое время может вызвать пробой. При электротепловом пробое U_np зависит как от частоты приложенного напряжения, так и от температуры окружающей среды, уменьшаясь при их увеличении.

Электромеханический пробой возникает в результате механического разруше­ния диэлектрика (образования макроскопических трещин) силами электрического поля. В ряде случаев механические разрушения в диэлектриках возникают в резуль­тате давления электродов.

Электрохимический пробой - вид медленно развивающегося пробоя, связанно­го с химическим изменением материала в электрическом поле. Этот вид пробоя на­блюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении вследствие раз­вития в материалах электролитических процессов.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически аг­рессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

Пробой газов

Воздух является самой распространённой изоляционной средой, которая ис­пользуется в различных электротехнических системах. Пробой воздуха и других га­зов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной ионизации и фотоионизации.

При воздействии поля, содержащиеся в газе положительные и отрицательные ионы и электроны, находящиеся в беспорядочном тепловом движении, начинают перемещаться в направлении поля. При этом они получают дополнительную энер­гию где - заряд,-разность потенциалов на длине свободного пробе­га.

При однородном поле можно считать, что , где - напряженность поля,

- длина свободного пробега заряженной частицы. Тогда

(4.1)

Эта энергия сообщается атомам или молекулам газа в момент столкновения. Если эта энергия достаточно велика, то при столкновении происходит возбуждение атомов и молекул или даже ионизация молекул.

Энергию ионизации обычно характеризуют ионизационным потенциалом

. Ионизационный потенциал различных газов находится в пределах от 4 до 25В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25эВ.(табл.4.1)

Таблица 4.1

Ионизационный потенциал некоторых газов

Газ
Потенциал ионизации, В	15,	15, 6	12, 1	И,	12, 1		15, 8	24, 6

 

Скорость и соответственно энергия электронов, которую они приобретают при движении в электрическом поле, определяются в основном характером их столкно­вений с молекулами и атомами данного газа. Если электроны в газе при столкнове нии с молекулами или атомами испытывают относительно большое число неупру­гих столкновений, что характерно для сложных молекул газа, то для достижения ими энергии, необходимой для ионизации, требуется большая напряженность элек­трического поля. Электрическая прочность такого газа будет высокой. Поэтому час­то газу с малым ионизационным потенциалом соответствует большая электрическая прочность и наоборот. Так, одноатомные газы Ne, He, хотя и обладают высоким ио­низационным потенциалом, но имеют низкую электрическую прочность. Соударе­ния положительных и отрицательных ионов с частицами газа даже при энергиях по­рядка тысячи электрон-вольт не приводит к ионизации газа. Объясняется это тем, что:

-электроны имеют в Г00-Г0Ш раз большую подвижность, чем ноны, -электроны имеют на порядок большую длину свободного пробега, чем ионы; -энергия, передаваемая ионом периферическому электрону нейтральной частицы мала, поэтому условия для отщепления электрона неблагоприятны.

В то же время, положительные ионы могут высвобождать электроны из метал­ла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев, электрон, разогнанный электрическим полем, не ионизирует молекулу, а переводит её в возбужденное состояние. При переходе в уравновешен­ное состояние эта молекула отдаёт свою избыточную энергию в виде излучения -испускает фотон. Если этот фотон будет поглощен какой-либо молекулой, то это может привести к её ионизации. Скорость движения фотона больше, чем скорость движения электронной лавины. Она составляет м/с. Фотоны обгоняют элек­тронную лавину и ионизируют частицы газа впереди основной лавины. Освобож­дённые при этом электроны порождают новые лавины далеко впереди первой. В по­следующих стадиях отдельные лавины, нагоняя друг друга, образуют сплошной ка­нал ионизированного газа с повышенной проводимостью, так называемого стриме­ра.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, на­правленного к катоду. Образуется разрядный канал в виде плазмы с избыточным положительным зарядом.

Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны.

В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Чем больше при­ложенное напряжение к газовому промежутку, тем быстрее происходит пробой.

Если напряжение подается в виде импульса, то чем меньше длительность им­пульса, тем больше пробивное напряжение. Это изменение пробивного напряжения

характеризуется коэффициентом импульса , где - напряжение пробоя при импульсном напряжении, - напряжение пробоя при постоянном напря­жении или переменном напряжении с частотой 50 Гц.

Регламентируются две формы испытательных импульсов: 1) грозовой импульс с длительностью переднего фронта 1,2 мкс и длительностью импульса 50 мкс;

2) коммутационный импульс с длительностью переднего фронта импульса 250 мкс и длительностью импульса 2500 мкс.

Грозовой импульс условно обозначают символом 1,2/50, а коммутационный -250/2500.

Для газовых промежутков с однородным или слабо неоднородным полями ко­эффициент импульса для стандартных импульсов практически равен единице. В случае сильно неоднородного поля в газовом промежутке коэффициент импульса зависит от полярности импульса, степени неоднородности, длины промежутка и для грозового импульса может существенно превышать единицу. 4.1.1 Пробой газа в однородном поле

Однородное электрическое поле может быть получено между плоскими элек­тродами с закругленными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. Время развития пробоя в однородном поле состав­ляет с, причём величина напряжения пробоя зависит от температуры и давления наполняющего газа. При нормальном давлении (0,1 Мпа) и температуре С электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами в 1 см составляет около 3,2 МВ/м. С уменьшением расстояния между электродами элек­трическая прочность увеличивается, что объясняется трудностью формирования разряда.

В соответствии с законом Пашена в однородном электрическом поле при неиз­менной температуре напряжение пробоя является функцией давления наполняюще­го газа и расстояния между электродами |. Данная зависимость приведена на рис.4.2. Минимальное значение пробивных напряжений для различных газов со­ставляет 280-420 В. Для воздуха-около 300В.

Рис.4.2 Зависимость для воздуха и водорода.

При повышении давления свыше 1 ООкПа расстояние между молекулами уменьшается, в результате чего уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно увеличивается электрическая прочность. Падение напряжения на­блюдается при уменьшении давления ниже атмосферного до определённой величи­ны. Дальнейшее уменьшение давления приводит к возрастанию электрической прочности, что объясняется уменьшением числа молекул в единице объёма газа и уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме электрическая прочность достигает больших значений (порядка МВ/м). В этом случае на величину электрической прочности оказывает влияние материал и состояние поверхности электродов, так как возможно возникновение "холодной" эмиссии электронов из поверхности электродов.

Электрическая прочность зависит от химического состава газа. Меньшей элек­трической прочностью по сравнению с воздухом обладают инертные газы, которые используются для заполнения источников света и электровакуумных приборов. Вы­сокой электрической прочностью отличаются некоторые тяжелые газы с высокой молекулярной массой. Примером может служить элегаз , фреон . Их

электрическая прочность практически в 2,5 раза выше, чем у воздуха.