- •Процессы в диэлектриках. Конспект лекций.
- •Тема 1. Введение в предмет
- •1.1. Представление, знакомство с потоком.
- •1.2. Основное содержание курса.
- •1.3. Представления о строении вещества.
- •1.3.2. Типы межатомных связей.
- •1.3. Представление об идеальном диэлектрике.
- •Тема 2. Поляризация диэлектриков.
- •2.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.
- •2.2. Виды поляризации
- •2.3. Электрическое поле внутри диэлектрика.
- •2.4. Схема замещения диэлектрика.
- •2.5. Зависимость диэлектрической проницаемости от различных факторов.
- •2.5.1. Газообразные диэлектрики.
- •2.5.2. Неполярные жидкие и твердые диэлектрики.
- •2.5.3. Полярные жидкие и твердые диэлектрики.
- •2.6. Электрическое поле при комбинировании диэлектриков.
- •Тема 3. Электропроводность диэлектриков.
- •3.1. Общие представления об электропроводности.
- •3.2. Виды электропроводности диэлектриков.
- •3.3. Зависимость электропроводности диэлектриков от температуры.
- •3.4. Электропроводность газов.
- •3.5. Электропроводность жидкостей.
- •3.6. Электропроводность твердых диэлектриков.
- •Тема 4. Диэлектрические потери.
- •4.1. Определение и основные понятия
- •4.2. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями.
- •4.3. Виды диэлектрических потерь.
- •4.3. Диэлектрические потери в различных видах диэлектриков.
- •Тема 5. Пробой диэлектриков.
- •5.1. Определение и основные понятия
- •5.2. Теоретические сведения об электрическом поле.
- •5.3. Пробой газообразных диэлектриков.
- •5.4. Особенности пробоя газообразных диэлектриков в однородном поле.
- •5.4. Пробой газообразных диэлектриков в неоднородном поле.
- •5.5. Поверхностный пробой.
- •5.6. Пробой жидких диэлектриков.
- •5.6.1. Теория теплового пробоя
- •5.6.2. Теория электрического пробоя
- •5.6.3.Пробой технически чистых жидких диэлектриков.
- •5.7. Пробой твердых диэлектриков.
- •1.4. Дефекты кристаллических решеток.
- •1.4.1 Точечные дефекты решетки
- •1.4.2 Линейные дефекты кристаллической решетки.
- •1.4.3 Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •1.4.4 Объёмные дефекты кристаллической решетки.
4.3. Виды диэлектрических потерь.
Различают следующие виды диэлектрических потерь:
- потери, обусловленные током сквозной проводимости;
- потери, обусловленные релаксационной поляризацией;
- ионизационные потери.
Последний вид потерь существует только в сильных электрических полях.
Диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, наблюдаются во всех видах диэлектриков. В неполярных диэлектриках ( нефтяные электроизоляционные масла, парафин), или имеющих ионную структуру с плотной упаковкой решетки (кварц, слюда), т.е. в веществах, не имеющих релаксационных видов поляризации, этот вид потерь является единственным. Для параллельной схемы замещения диэлектрика имеем
Так как ω = 2πf, емкость плоского конденсатораС=ε0ε(S/h), гдеε0= 8,84∙10-12Ф/м – электрическая постоянная, активное сопротивлениеR = ρ(h/S), то получим выражение
(4)
Таким образом, в первом приближении имеем, что потери на электропроводность обратно пропорциональны частоте приложенного напряжения. Для неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Но для полярных диэлектриков следует учитывать изменение диэлектрической проницаемости от частоты приложенного напряжения. Так как при увеличении частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается, то снижение диэлектрических потерь происходит медленнее, чем по гиперболическому закону.
С увеличением температуры возрастает электропроводность диэлектрика в связи с ростом количества свободных зарядов и увеличением их подвижности. Это обозначает снижение удельного сопротивления и, в соответствие с формулой (4), мы имеем увеличение tg δ. Графические зависимостиtg δ от частоты и температуры приведены на рис. 4.4.
Д
Рис.4.4. Общий вид зависимости tg δ от частоты напряжения и температуры диэлектрика.
иэлектрические потери, обусловленные релаксационными видами поляризации.
При наличии у диэлектрика релаксационных механизмов поляризации его tg δ имеет высокие значения (0,001-0,01) и сильно зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.
О
Рис.4.5.
Температурная зависимость тангенса
угла диэлектрических потерь для
дипольно- (а) и ионно-релаксационной
поляризации
При низкой температуре вязкость диэлектрика будет высокой, диполи не смогут следовать за полем и дипольно-релаксационная поляризация практически исчезает, а tg δ имеет низкое значение. При высоких температурах вязкость среды становится минимальной, ориентация диполей происходит практически без трения, поэтому потери в диэлектрике невелики,tg δ имеет также имеет низкое значение. Значениеtg δ достигает максимального значения, когда диполи успевают максимально полно ориентироваться по полю.
Положение максимума этой кривой определяется равенством ω = 1/τ, гдеω– круговая частота приложенного напряжения,τ – время релаксации диэлектрика.
Время релаксации диэлектрика зависит от вязкости среды и, следовательно, от её температуры.
Ионно-релаксационные потери монотонно возрастают при нагревании (рис.4.5.б), так как ослабляются ионные связи и увеличивается число ионов, участвующих в переходах на вакантные узлы решетки.
Дипольно- и ионно-релаксационные потери заметно проявляются при частотах 106-1010Гц.
Ионизационные потери– это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа. Практически все технические твердые диэлектрики имеют газовые включения (поры, микротрещины), а в жидких диэлектриках присутствуют микропузырьки воздуха, то ионизационные потери наблюдаются как в твердых, так и в жидких диэлектриках при достаточно больших значениях электрического поля.
Р
Рис.4.6.
Зависимость tg δ от напряжения для
изоляции с воздушными включениями. 1-
составляющая, обусловленная ионизацией
газа в воздушных включениях; 2- составляющая
от электропроводности самого диэлектрика.
Под действием частичных разрядов, зажигаемых в газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение – т.н. электрическая эрозия. Чем больше диаметр газовых включений (особенно больше 0,1 мм), тем выше интенсивность частичных разрядов и ниже значение напряжения Uн, при котором начинаются разрядные процессы.
Ионизационные процессы могут происходить не только в толще диэлектрика, но и на его поверхности, у поверхности проводов линий передач высокого напряжения и контактных сетей железных дорог. Поверхностная ионизация известна под названием явления короны.
Ионизационные потери могут быть вычислены по приближенной формуле
где А– постоянный коэффициент,f– частота напряжения,U– приложенное напряжение,Uн– напряжение начала ионизации.