Автор: Пользователь скрыл имя, 26 Сентября 2013 в 21:32, реферат
Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью. В технических диэлектриках всегда содержится небольшое количество свободных зарядов, которые под воздействием электрического поля создают слабые по величине сквозные токи проводимости, или токи утечки. Эти токи утечки сопровождаются выделением и нейтрализацией зарядов на электродах, между которыми расположен диэлектрик.
Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью. В технических диэлектриках всегда содержится небольшое количество свободных зарядов, которые под воздействием электрического поля создают слабые по величине сквозные токи проводимости, или токи утечки. Эти токи утечки сопровождаются выделением и нейтрализацией зарядов на электродах, между которыми расположен диэлектрик. Особенностью электропроводности диэлектриков является не только то, что она в основном носит не электронный, а ионный характер, но также и то, что в начальный период после включения постоянного напряжения сквозной ток сопровождается поляризационными токами, т. е. токами заряда емкостей в схеме замещения. Кроме того, возникают дополнительные токи поляризации, обусловленные неоднородностью структуры изоляции, когда на границе раздела диэлектриков с разными характеристиками накапливается поглощенный заряд – заряд абсорбции. Все эти токи создают так называемый ток абсорбции. Таким образом, полный ток в диэлектрике равен сумме токов утечки и абсорбции:
где – ток утечки (сквозной ток), – ток абсорбции.
Ток абсорбции изменяется с течением времени по закону затухающей экспоненты:
где – постоянная времени заряда изоляции, – максимальное значение тока абсорбции в начальный момент при = 0.
Сопротивление изоляции после приложения напряжения определяют по формуле
где U – приложенное напряжение.
Рис. 1. Зависимость тока через диэлектрик от времени
Поскольку ток абсорбции со временем уменьшается, сопротивление изоляции возрастает. После завершения переходного процесса в установившемся режиме через диэлектрик протекает только ток сквозной проводимости .
Ток абсорбции необходимо принимать во внимание при измерении проводимости диэлектрика, так как при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции. Вследствие этого может создаться неправильное представление о большой проводимости диэлектрика и его малом сопротивлении изоляции.
Истинное сопротивление диэлектрика, определяемое только сквозным током и называемое сопротивлением изоляции , определяется по формуле:
Следовательно, ток утечки и сопротивление изоляции нужно измерять спустя некоторое время после приложения напряжения, когда закончатся переходные процессы и ток абсорбции спадет до нуля. Обычно считают, что переходные процессы при заряде изоляции заканчиваются через 1 мин, поэтому за ток утечки принимают ток, измеренный через 1 мин после приложения напряжения. Его обозначают и называют одноминутным значением тока утечки. Соответствующее ему сопротивление называют одноминутным значением сопротивления изоляции. Его определяют как
Чтобы оценить величину тока абсорбции, протекающего в переходном режиме, измеряют ток утечки и сопротивление изоляции через 15 с после приложения напряжения, когда ток абсорбции еще не успевает уменьшиться до нуля. Сопротивление изоляции, измеренное через 15 с после приложения напряжения, называют пятнадцатисекундным значением сопротивления изоляции и обозначают . Отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к пятнадцатисекундному значению называют коэффициентом абсорбции :
Согласно действующим правилам, коэффициент абсорбции для неувлажненной изоляции при температуре 10–20 °С должен быть не менее чем 1,3. Для увлажненной изоляции коэффициент абсорбции близок к единице.
Заметим, что в США сопротивление изоляции замеряют через 1 мин и через 10 мин. В качестве установившегося значения берут десятиминутное значение сопротивления изоляции, а вместо коэффициента абсорбции вводят индекс поляризации как отношение десятиминутного значения сопротивления изоляции к одноминутному значению: .
В некоторых случаях (за рубежом) наряду с индексом поляризации вычисляют и нормируют коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR), вычисляемый как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к тридцатисекундному ее значению: .
Сопротивление изоляции всех электротехнических изделий используется в качестве важнейшего критерия их работоспособности. Во всех технических нормативах оговариваются значения сопротивления изоляции или тока утечки при заданном напряжении.
Для твердого диэлектрика ток утечки может протекать через весь объем диэлектрика V, а также и по его поверхности S от одного электрода к другому электроду. В связи с этим для твердых электроизоляционных материалов различают объемный ток утечки и поверхностный ток утечки , а также объемную и поверхностную электропроводности и соответственно объемное и поверхностное сопротивления. Объемная электропроводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная же электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку вода отличается значительной электропроводностью, то достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная электропроводность, определяемая в основном толщиной увлажненного слоя. Поскольку толщина адсорбированного слоя и его сопротивление связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой (парафин, полиэтилен, фторопласт-4). Такие диэлектрики называются гидрофобными.
Пониженное значение
поверхностного сопротивления можно
наблюдать у полярных диэлектриков,
частично растворимых в воде, у
которых на поверхности образуется
пленка электролита (керамика, резина,
стекло). Такие диэлектрики называются г
Естественно, что гигроскопичность
волокнистых материалов, имеющих
объемно-пористую структуру, будет
выше, а керамики, покрытой кремнийорганическими
лаками, – ниже. Адсорбция влаги
на поверхности диэлектрика
На поверхности гидрофильного (смачиваемого) диэлектрика адсорбированная влага распределяется тонким непрерывным слоем, а на поверхности гидрофобного (несмачиваемого) диэлектрика влага распределяется отдельными «островками».
Образовавшийся на поверхности увлажненный и загрязненный слой имеет обычно небольшое сопротивление. Следовательно, поверхностный ток утечки может быть достаточно большим. Он может нагреть поверхность диэлектрика до температуры больше 100 °С. При такой температуре происходит вскипание воды на поверхности диэлектрика, образование микротрещин и разрушение поверхностного слоя изоляции. Для защиты поверхности гидрофильных материалов применяют грязестойкие глазури и кремнийорганические лаки.
Для сравнительной оценки
различных материалов по их объемной
и поверхностной
В системе СИ удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной. Единица измерения удельного объемного сопротивления Ом·м. Если для измерения берется не куб, а плоский образец материала, то при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле:
где – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м2; h – толщина образца, м.
Объемное сопротивление образца будет равно:
Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, выделенного на поверхности исследуемого материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны до противоположной. Единица измерения удельного поверхностного сопротивления Ом. Если для измерения берется не квадрат, а прямоугольник, то удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле:
где – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии .
Поверхностное сопротивление будет равно:
По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость , а по удельному поверхностному сопротивлению – удельную поверхностную проводимость . Удельная объемная проводимость измеряется в См·м–1, а удельная поверхностная проводимость – в сименсах (См).
Закон Ома для объемного сопротивления:
Разделив левую и правую части уравнения на величину площади , получим:
т. е. закон Ома в дифференциальной форме.
Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции , складывается из объемной и поверхностной проводимостей. Величина сопротивления изоляции находится как эквивалентное сопротивление параллельно включенных сопротивлений:
Проводимость диэлектриков, как и их сопротивление изоляции , не является постоянной величиной. Они зависят от величины приложенного к образцу напряжения, температуры окружающей среды и влажности. Как правило, при увеличении приложенного напряжения и температуры проводимость диэлектриков увеличивается, а сопротивление изоляции уменьшается. Увеличивается проводимость и с увеличением влажности.
При длительной работе под напряжением ток утечки через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшилась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит о протекающем в диэлектрике необратимом процессе старения под действием напряжения. Это старение способно постепенно привести к разрушению диэлектрика, т. е. к его пробою.
Электропроводность
изоляционных материалов в сильной
степени зависит и от состояния
вещества: газообразное, жидкое или
твердое.
Список используемой литературы: