Типы электродов Лабораторно – практическое занятие №4

Тема:Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков

Цель: изучить приборы и методику определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков, как важнейших характеристик изоляционных материалов

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери — электрическая мощность, поглощаемая в диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения. Эта мощность рассеивается в изо­ляции, превращаясь в тепло.

Величина диэлектрических потерь Р [Вт] в участке изоляции с емкостью С [ф] при действующем значении переменного синусои­дального напряжения U [В] и частоте f [Гц] (круговая частота [сек^-1]) определяется из формулы

С tg δ = U ²2π f С tg δ [Вт]. Р = UIcos φ = UIa = UIctg δ.

Здесь δ — угол диэлектрических потерь в векторной диаграмме токов в диэлектрике. Тангенс этого угла равен отношению активного и реактивного токов

tg δ = I_{а /} I_р *100 (%)

В идеальном диэлектрике δ = 0 и соответственно tg δ = 0. Увлажнение и другие дефекты изоляции вызывают увеличение активной составляющей тока Iа, диэлектрических потерь и tg δ. Поскольку при этом активная составляющая Iа растет значительно быстрее, чем емкостная Ic, показатель tg δ отражает изменение состояния изоляции и потери в ней. Вместе с тем он определяет лишь общую, усредненную характеристику изоляции, тогда как местные и сосредоточенные дефекты в изоляции большого объема измерением tg δ обнаруживаются плохо; при малом объеме изоляции удается обнаружить развитые местные и сосредоточенные дефекты.

Угол диэлектрических потерь — важная характеристика как материала (диэлектрика), так и электроизоляционной конструк­ции (участка изоляции). Чем больше этот угол, тем больше (при прочих равных условиях) диэлектрические потери. Обычно в качестве характеристики материала или конструкции дается величина тангенса угла диэлектрических потерь tg δ. Иногда вводится добротность изоляции Q -, величина, обратная тангенсу угла потерь:

Значения tg δ для наилучших электроизоляционных материалов, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, порядка тысячных или даже десяти­тысячных долей единицы; для материалов более низкого качества, применяемых в. менее ответственных случаях, может составлять сотые или иногда десятые доли единицы.

При работе диэлектрика под постоянным напряжением полные потери мощности определяются формулой

где I - ток утечки [A];

R_из — сопротивление изоляции [Ом];

С_из — проводимость, [Ом^-1 ].

Физическая сущность диэлектрических потерь

При включении диэлектрика под постоянное напряжение U изменение тока I, проходящего через диэлектрик, от времен­и имеет вид:

Исключая из рассмотрения начальный участок кривой 0P, можно разбить ток i

на две составляющие:

установившийся ток i_∞, имеющий постоянную величину – это сквозной ток при постоянном напряжении и ток абсорбции i_абс , спадающий по закону

,

где R_абс – сопротивление материала с учетом процесса поляризации. В дипольных диэлектриках ток абсорбции вызывается процессом ориентации дипольных молекул. Кроме того, возможен поворот частей дипольных молекул, а также другие виды переброса молекул из одного положения в другое. Однако и в чистых нейтральных диэлектриках могут наблюдаться токи абсорбции: они объясняются практически неизбежной неоднородностью электрических свойств диэлектрика в различ­ных местах, образованием под действием внешнего поля объемных зарядов в диэлектрике и другими причинами, вызывающими процессы перераспределения зарядов по объёму диэлектрика.

Так как ток абсорбции может существовать при всяких изменениях напряжения на диэлектрике, потери мощности при переменном напряжении больше, чем при постоянном напряжении той же величины.

Зависимость tg δ от частоты. В самом общем виде график этой зависимости имеет вид:

Зависимости тангенса угла ди­электрических потерь дипольного диэлек­трика — поливинилацетата от частоты.

Зависимость tg δ от температуры.

Как общее правило, tg δ существенно увеличивается при повышении температуры. Условия работы изоля­ции будут при этом более тяжелыми. Рост tg δ вызван повышением как проводимости сквозного тока Gиз, так и проводимости тока абсорбции .

Как видно, при возрастании частоты переменного напряжения температура, соответствующая максимуму угла потерь, на семействе кривых tg δ сдвигается в сторону возра­стания температуры, т. е. в область более низких вязкостей. Соответственно при возрастании тем­пературы на семействе кривых зависимости от частоты максимум смещается в область более высоких частот.

Зависимость от влажности. У гигроскопичных диэлектриков величина tg δ заметно возрастает при увеличении влажности. Таким образом, мы еще раз подтверждаем высказанное ранее положение о том, что высокая влажность ухудшает свойства электрической изоляции.

Зависимость от напряжения. При оценке качества изоляции (в особенности изоляции высоковольтных кабелей, аппаратов, машин и др.), помимо абсолютной величины tg δ, во многих случаях большое значение имеет характер изменения tg δ в зависимости от приложенного напряжения U (или напряженности поля Е).

Во многих случаях tg δ от напряжения не зависит, так что при прочих равных условиях диэлектрические потери возрастают пропорционально квадрату приложен­ного к изоляции напряжения : .

Однако в ряде случаев зависимость tg δ от напряжения имеет следующий характер: на некотором участке величина tg δ почти неизменна, при изменении же напряжения сверх определенного предела U_ион кривая tg δ(U) начинает резко повышаться. Эта кривая называется кривой ионизации; точка А кривой называется точкой ионизации и соответствует началу ионизации (образования короны или тихих разрядов) во включениях воздуха или других газов внутри изоляции. Такие включе­ния легко образуются, в частности, в недостаточно плотной и не подвергнутой глубокой вакуумной сушке волокнистой или прессо­ванной изоляции.

Ионизация воздуха связана с двумя весьма важными момен­тами:

• со значительным поглощением энергии, что и вызывает резкое увеличение потерь Р и tg δ;

• с химическими процессами, заключающимися в основном в том, что часть содержащегося в воздухе кислорода О₂ пере­ходит в его видоизмененную форму озон О₃, а также образу­ются окислы азота. Эти вещества, в особенности в присутствии даже малых количеств влаги, действуют как сильные окислители на большую часть органических изоляционных материалов, вызы­вая их постепенное разрушение. Неорганические материалы обыч­но стойки к действию озона.

Рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения иони­зации U_ион, соответствующего точке А. Следует считать более высоко­качественной такую изоляцию, у которой напряжение ионизации будет более высоким, а подъем кривой ионизации после точки А — более пологим.

Измерение угла диэлектрических потерь

Поляризационные токи, протекающие через диэлектрик. разогревают его, что соответствует потере энергии, называемой диэлектрической. При промышленной частоте такие потери происходят за счет релаксационных поляризаций или токов Iабс и Iпр ,т.е. активной и емкостной суммарной составляющих токов, а в векторной диаграмме между этими составляющими появится угол d. Отношение тока активного Iа к току емкостному Iс равно tgd, что является характеристикой диэлектрических потерь в изоляции, которые можно определить из выражения

W = U I cosj = U I tgd.

Поскольку токи сквозной проводимости малы, измерение угла диэлектрических потерь определяется параметрами ветви г C, т.е. угол d является показателем посторонних включений и, в частности, увлажнения изоляции. Величина tgd не зависит от абсолютного значения емкости объекта. а зависит от отношения С₀ / Ci . Поэтому tgd становится универсальным показателем качества изоляции, не зависимым от ее габаритов.

Для малогаборитных объектов, емкостью порядка 200-300 пФ (например, вводы трансформаторов тока или внешняя изоляция, различные изоляторы), значение tgd характеризует общее состояние изоляции и может отметить развивающийся местный дефект. Для крупногаборитных объектов емкостью выше 2000 пФ, например, изоляция крупных генераторов, электродвигателей, трансформаторов, кабелей и т.д. значение tgd указывает на увлажнение изоляции, на общее старение, частичное разрушение (микротрещина) и т.п. Такие дефекты в изоляции как весьма развитые металлические включения или мостики повышенной проводимости, могут быть обнаружены и на постоянном токе.

Величина tgd и сопротивление сквозной проводимости растут с увеличением температуры свыше 40 ^оС, поэтому эти параметры нормируются при температуре 20 ⁰ С. Измерение tgd изоляции осуществляется высоковольтными мостами по схеме Шеринга типа Р-5026 с рабочим напряжением 5 - 10 кВ промышленной частоты.

Рис. Принципиальная схема моста Шеринга

Измерение tg δ производят мостами переменного тока типа МД-16, Р5026, Р595, принципиальная схема которых приведена на рис, или иными приборами аналогичного назначения

Эти приборы являются, по-существу, измерителями емкости (мост Шеринга). При равновесии моста обеспечивается равенство

tg δ = ωRхСх = ωR4C4.

Применяют две схемы включения моста: нормальную(а), в которой измерительный элемент Р включен между одним из электродов испытуемого диэлектрика Сх и землей, и перевернутую(б) ,в которой измерительный элемент включен между электродом испытуемого объекта и выводом высокого напряжения моста. Нормальная схема применяется, когда оба электрода изолированы от земли, например при измерении tg δ изоляции между обмотками трансформатора, Для измерения tg δ объектов, у которых один из электродов наглухо соединен с землей (например, магнитопровод трансформатора, фланец ввода и т. п.), применяют перевернутую схему. Необходимо иметь в виду, что в этом случае отдельные элементы моста находятся под испытательным напряжением. Для трансформаторов, залитых маслом, значение испытательного напряжения должно быть не более 60 % заводского испытательного и не выше 10 кВ.

.Измерение tg δ по нормальной (а) и перевернутой (б) схемам: Сх — объект измерения; Р — мост; Т — испытательный трансформатор

На высоком напряжении мост используется с внешним образцовым воздушным конденсатором типа Р5023. В качестве источника напряжения до 10 кВ обычно применяют измерительный трансформатор напряжения типа НОМ-10 или НОМ-6. Мост и необходимую аппаратуру размещают в непосредственной близости от испытуемого объекта и устанавливают ограждение (см., например, рис. 6). Провод, идущий от испытательного трансформатора Т к образцовому конденсатору CN, а также соединительные кабели моста Р, находящиеся под напряжением, должны быть удалены от заземленных предметов не менее чем на 100... 150 мм. Трансформатор Т и его регулирующее устройство TAB (ЛATP) должны отстоять от моста не менее чем на 0,5 м. Корпуса моста Р, трансформатора Т и регулировочного устройства TAB, a также один вывод вторичной обмотки трансформатора Т заземляют.

. Схема расположения аппаратов при измерении tg δ: Сх — объект измерения; CN — образцовый конденсатор; Т — испытательный трансформатор; Р — мост; TAB — регулировочный автотрансформатор, 0 — переносное ограждение

На результаты измерения tg δ могут оказывать влияние магнитные и электростатические поля. Это влияние частично можно учесть, выполнив измерение четыре раза, при разных полярностях подаваемого испытательного напряжения и включения гальванометра. Наиболее эффективной мерой является такой подбор фазы питающего напряжения, при котором влияние минимально. Практически это удобно осуществить питанием схемы от той из фаз АВ, ВА; АС, СА или ВС, СВ, при которой результат измерения минимален.

Измеренные значения tg δ сравнивают с данными протокола заводских испытаний, от которых они не должны отличаться в сторону ухудшения более чем на 50 %. При отсутствии на объекте сведений о результатах заводских испытаний, можно ориентироваться на данные табл. 5 (для вновь вводимых трансформаторов классов напряжения обмотки ВН, залитых маслом, до 35 кВ включительно). Заводские данные следует привести к температуре при наладке с помощью коэффициента К (табл. 6).

Таблица 5. Наибольшие допустимые значения tg δ (%) изоляции обмоток трансформаторов

Мощность трансформатора, кВ•А	Температура обмотки, °С
	10	20	30	40	50	60	70
До 6300 включительно	1.2	1.5	2.0	2.5	3.4	4.5	6.0
10 000 и более	0,8	к 1,0	1,3	1,7	2,3	3,0	4,0

Таблица 6. Коэффициенты для пересчета заводских значений tg δ к температуре при наладке

Разность температур, °С	5	10	20	30	40	50	60	70
Коэффициент К	1,15	1,31	1,75	2,3	3,0	4,0	5,3	7,0

Измерение tg δ трансформаторов мощностью до 1600 кВ•А не обязательно.

Определение отношения С₂/С₅₀.

Эта величина представляет собой отношение емкости при частоте 2 Гц к емкости при частоте 50 Гц и характеризует увлажненность изоляции транс­форматора. На частоте 50 Гц успевает проявиться только геометрическая ем­кость, одинаковая при сухой и влажной изоляции. На частоте 2 Гц проявляет­ся и абсорбционная емкость, которая при влажной изоляции больше, чем при сухой. Для увлажненной изоляции отношение С₂/С₅₀ приближается к 2, для сухой — близко к 1.

Измерения производятся прибором типа ПКВ-13 для трансформаторов, залитых маслом (как правило); допустимые значения С₂/С₅₀ приведены в табл. 7.

Местные увлажнения выявляются этим методом плохо.

Таблица 7. Наибольшие допустимые значения С₂/С₅₀ обмоток трансформаторов в масле

Мощность трансформатора, кВ А	Температура обмотки, °С
	10	20	30
До 6300 включительно	1,1	1,2	1,3
10 000	1,05	1,15	1,25

Определение относительной влажности изоляции

Увлажненность изоляции исследуют путем измерения емкости обмоток на двух частотах при неизменной температу­ре 10 - 20 °С. Этот метод называется методом "емкость - частота". Емкость объекта при неизменной t и f приложенного напряжения есть величина постоянная. При увеличении частоты емкость уменьшается. Эта зависимость является следст­вием процессов медленной поляризации. В результате поляризации происходит накопление зарядов в диэлектрике, кото­рое приводит к увеличению его емкости. При переменном напряжении процесс накопления зарядов ограничен длительно­стью одного полупериода напряжения, чем выше частота, тем в меньшей степени успевают развиваться процессы поляри­зации, тем меньше емкость.

На характер зависимости емкости от частоты влияют наличия дефектов в изоляции. Появление больших по объему и хорошо проводящих включений, шунтирование или пробой изоляции увеличивает разность емкостей при низких и высо­ких частотах.

Большую роль играет увлажненность изоляции. Чем больше увлажнена изоляция, тем быстрее протекают процессы поляризации. Поэтому даже при большой частоте в увлажненной изоляции процессы поляризации успевают проявиться более значительно, чем при сухой изоляции. Изменение емкости при увеличении частоты носит круто падающий харак­тер.

Зависимость емкости от частоты для изоляции. В сухой изоляции поляризация протекает медленнее, длительность процессов больше полупериода приложенного напряжения. Поэтому в сухой изоляции емкость меньше, чем у влажной во всем диапазоне частот изменение ее с изменением частоты незначительно.

В сухой изоляции поляризация протекает медленнее, длительность процессов больше полупериода приложенного напряжения. Поэтому в сухой изоляции емкость меньше, чем у влажной во всем диапазоне частот изменение ее с измене­нием частоты незначительно.Указанные эффекты приводят к тому, что отношение емкостей увлажненной изоляции при двух различных частотах значительно больше, чем у сухой изоляции, на чем и основан принцип оценки степени увлажнения изоляции.

ГОСТом предусмотрено проведение измерений при двух частотах 50 Гц и 2Гц. Для сухой изоляции величина емко­сти С₂ должна отличаться от С₅о не более, чем в 1,2 - 1,3 раза, т. е.:

С₂\ С _{50 =} ( 1,2-1,3)

для обмоток с увлажненной изоляцией это отношение возрастает до 2. Измерение емкости производят при помощи прибора контроля влажности типа ПКВ-13.

Определение диэлектрической проницаемости

Назначения кнопок, используемых при измерении:

1 – питание прибора;

4 – выбор измеряемых величин (при индикации режима MODE);

5 – выбор схемы измерения (при индикации режима CIRCUIT);

12 – выбор частоты, на которой производятся измерения;

7-11, 16-20 – цифры для набора частоты;

14 – ввод набранной частоты.

Для измерений образец изучаемого материала помещается между двумя плоскими электродами круглой формы.

Включение прибора производится кнопкой 1.

Выбор измеряемого параметра производится с помощью кнопки 4.

При этом:

режим «C D» – измерение емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь D (Dissipation Factor – англ.) – используется в данной работе; (режимы: «L Q», «C Q», «R Q» в данной работе не используются).

Выбор частоты измерения производится следующим образом:

нажать кнопку 12, набрать необходимую частоту цифровыми кнопками (в кГц, 100 Гц набирать как 0,1 кГц) и нажать кнопку 14 - ввод.

Измерение производится автоматически. При смене диэлектрика питание прибора не отключается.

Найдено вещество с гигантским значением диэлектрической проницаемости ! ! !

Рис. 1. Кристаллическая решетка CaCu3Ti4O12. Атомы меди Cu показаны голубым цветом, кислорода O — красным, кальция Ca — желтым. Коричневые октаэдры — оксид титана TiO6. Рис. из статьи C.C.Homes, et al. Optical Response of High-Dielectric-Constant Perovskite-Related Oxide // Science (2001). V. 293. P. 673–676

Группе ученых из Германии, Индонезии, Нидерландов и России удалось обнаружить в веществе с химической формулой La₁₅/₈Sr₁/₈NiO₄ гигантское значение диэлектрической проницаемости — около 10⁵ (а при определенных условиях — и на порядок выше, 10⁶). Эта керамика имеет хорошие перспективы для технологических решений в микроэлектронике, поскольку сохраняет это значение диэлектрической проницаемости даже в присутствии переменного электрического поля с частотой вплоть до 1 Ггц.

На роль такого вещества могли бы претендовать сегнетоэлектрики — диэлектрики со спонтанной поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля, некий аналог ферромагнетиков. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков может достигать десятков тысяч (у первого открытого сегнетоэлектрика — сегнетовой соли — ε достигает 10⁴). Однако проблема в том, что диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень сильно зависит от температуры: выше определенной температуры (называемой по аналогии с ферромагнетизмом «температурой Кюри») диэлектрическая проницаемость вещества резко уменьшается. Кстати, из-за наличия таких качественных аналогий со свойствами ферромагнетиков, как зависимость проницаемости от температуры, существование температуры Кюри, наличие гистерезиса, сегнетоэлектрики часто называют также ферроэлектриками.

Казалось бы, решению температурной проблемы должно было помочь открытие в 2000 году вещества с высокой диэлектрической проницаемостью CaCu₃Ti₄O₁₂ (сокращенно его обозначают аббревиатурой CCTO), не являющегося сегнетоэлектриком. Проницаемость этой керамики при комнатной температуре составляет порядка 10⁵ (для монокристаллического образца; у поликристаллических образцов она на порядок меньше) и остается практически постоянной в широком диапазоне температур от 100 до 600 К. Но у этого вещества обнаружился другой недостаток: диэлектрическая проницаемость CCTO сильно уменьшается в присутствии высокочастотного переменного электрического поля — с 10⁵ до 10² при частоте поля 1 Ггц. Это сильно ограничивает практическое использование CCTO, поскольку в компьютерных и телекоммуникационных технологиях частота переменного электрического поля превышает этот частотный предел.

Таким образом, для эффективного увеличения емкости конденсатора кроме проблемы температурной зависимости диэлектрической проницаемости надо решить еще и проблему ее частотной зависимости — то есть найти вещество, которое будет слабо менять свою проницаемость с частотой. И, похоже, такое вещество было обнаружено. Об этом сообщается в препринте, не так давно появившемся в Архиве. Группа ученых из Германии, Индонезии, Нидерландов и России изучила диэлектрические свойства керамики с химической формулой La_15/8Sr_1/8NiO₄ (аббревиатура LSNO), более многообещающего с точки зрения технологического применения в микроэлектронике. Название статьи говорит само за себя: Colossal dielectric constant up to GHz at room temperature («Гигантское значение диэлектрической проницаемости при частоте вплоть до 1 Ггц при комнатной температуре»).

Чтобы была возможность, так сказать, почувствовать разницу, ученые привели частотную зависимость керамик LSNO и CCТО при комнатной температуре (см. рис.). Видно, что на частоте 1 Ггц ε образца La_15/8Sr₁/₈NiO₄ по-прежнему остается гигантской, превышая значение 10⁴ — на фоне всего лишь относительно высокого (около 10²) аналогичного значения у CCTO.