Shik-v-dom.ru

Шик в Дом
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Происхождение диэлектрических потерь: что это и почему происходит, как измерить и рассчитать

Происхождение диэлектрических потерь: что это и почему происходит, как измерить и рассчитать

Диэлектрические

Благодаря материалам из диэлектриков электрический ток не утекает и проходит только по проводникам. Их изготавливаются из самого разного материала.

Функциональные возможности используются не только с целью ограничения прохождения электрических токов.

Диэлектрическая потеря является ещё одной функцией этого материала. Благодаря этому явлению под воздействием электрического поля рассеивается энергия. При излишнем скоплении энергии проводники перегреются, что может привести к перегоранию проводника и пожару.

В этой статье более подробно рассмотрим данную функцию.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники — вещества, со свободными электрическими зарядами, способными направленно перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Такими особенностями обладают:

  • металлы и их расплавы;
  • природный углерод (каменный уголь, графит);
  • электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
  • ионизированный газ (плазма).

Главное свойство материалов : свободные заряды — электроны у твёрдых проводников и ионы у растворов и расплавов, перемещаясь по всему объёму проводника проводят электрический ток. Под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения создаётся ток проводимости. Удельное сопротивление и электропроводимость — основные показатели материала.

Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не имеют способности к перемещению заряженных частиц под воздействием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, происходит поляризация диэлектрика.

В результате поляризации, заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Онлайн просмотр документа «Общие представления об электропроводности диэлектриков»

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — Iскв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Газообразные

Положительные и отрицательные ионы

Ионизация молекул газа

В сильных полях также электроны

Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа

Диссоциация молекул примеси (реже собственных молекул)

Коллоидные заряженные частицы

Характерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий(взвешенная фаза твердое вещество)

Носители заряда (область слабых полей)

Природа носителей заряда (происхождение)

Диссоциация примесей или собственных молекул

Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы) межузельные ионы

Зависят от структуры кристаллического диэлектрика

Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне

В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм, обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв.

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс, вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iабс устанавливается за время меньше 1 мин.

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

Читайте так же:
Чем отличается розетка с заземлением от розетки без заземления

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв, исключая токи абсорбции.

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Электропроводность жидких диэлектриков

Основную роль играют два типа электропроводности: ионная и молионная (катафоретическая).

В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основном являются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей.

Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общему числу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации и диэлектрической проницаемости. Степень диссоциации возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости.

Собственная ионная электропроводность наблюдается при диссоциации молекул жидкости с ионным характером связи.

Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях при эмиссии электронов с катода в тщательно очищенных от примесей жидкостях.

Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов, например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии, содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др. Знак заряда частицы будет положительным, если диэлектрическая проницаемость частиц больше диэлектрической проницаемости растворителя и наоборот. Такие заряженные частицы называют молионами.

Электропроводность жидких диэлектриков

Удельное сопротивление жидкостей уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону

=B . exp(W/kT) ,

где B — константа, W — энергия диссоциации, k — постоянная Больцмана. По аналогичному закону изменяется и вязкость жидкости.

Удельные проводимости неполярных, слабополярных и сильнополярных жидких диэлектриков приведены в таблице.

Удельное сопротивление , Ом . м

Неполярные жидкости (бензол, трансформаторное масло)

Слабополярные жидкости (совол, касторовое масло)

Сильнополярные жидкости (дистилированная вода, этиловый спирт, ацетон)

Закон Ома в жидкостях нарушается в сильных полях (Е = 0.05 — 0.06 МВ/м). Возможные причины:

диссоциация молекул жидкости, приводящая к резкому росту концентрации ионов;

автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.

Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или дефектах решетки.

Согласно Я.И.Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузлия).

При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто. Через диэлектрик будет протекать электрический ток.

Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки. Такой процесс приводит к обмену атомов местами, то есть к диффузии.

Электропроводность твердых диэлектриков

Коэффициент диффузии D связан с подвижностью соотношением Нернста-Энштейна

/D = e/kT,

где — подвижность, e — заряд, k — постоянная Больцмана, T — температура. Коэффициенты диффузии, вычисленные по этой формуле, при комнатной температуре очень малы, не более 10 -5 см 2 /с, а подвижность 10 -4 см/В . с.

В процессе электропроводности играют роль не только собственные ионы решетки, но и ионы примесей, особенно с высокой подвижностью. К таким ионам относятся ионы Na + , K + , H + , роль которых велика уже при комнатной температуре.

К числу примесных ионов с большой подвижностью относятся такие ионы как Cu + , Au + , Ag + . Для таких ионов D = 10 -5 — 10 -7 см 2 , = 10 -2 — 10 -4 см 2 . с. Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов (по Шоттки), при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов () и катионов (+) из нормальных узлов решетки и помещении их в новые узлы на внешних и внутренних поверхностях кристалла. В этом случае вакансии перемещаются по кристаллу вследствии переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов. Посмотрите, как происходит этот процесс.

Читайте так же:
Схема подключения розетки прицепа легкового автомобиля калина

Электропроводность твердых диэлектриков

Для многих ионных кристаллов удельная электропроводность экспоненциально зависит от температуры = e . n . = o . exp(-Wa/kT),

где Wa = W/2 + U, а W = Wf или W = Ws — энергия образования дефектов по Френкелю или по Шоттки в зависимости от типа дефектов, U — энергия активации перемещения ионов, меньшая W.

В координатах ln />= f(1/T) эта зависимость представляется в виде прямой линии, либо в виде линии с изломом, если имеются два различных механизма проводимости. В этом случае зависимость />от 1/T будет представляться суммой двух экспонент

= 1 . exp(-Wa1/kT) + 2 . exp(-Wa2/kT).

Как видно из рисунка, по наклону прямых ln можно найти Wa1 и Wa2 например для Wa1 имеем:

ln />2 — ln />1

. 10 3. k.

(10 3 /T2)-(10 3 /T1)

Электропроводность твердых диэлектриков

Для низкотемпературного участка NaCl по экспериментальным данным Wa = 1,7 — 2,2 эВ.

В низкотемпературной области проводимость в основном определяется примесями и кривая в этой области имеет более слабый наклон, в высокотемпературной области — проводимость за счет собственных ионов (Cl — ).

Обычно Wa1/Wa2 = 1/2, a />1/ />2 = 10 -5 . Следует отметить, что Wa2 не чувствительна к наличию примесей.

В некоторых твердых неорганических диэлектриках, например в титаносодержащей керамике, возможна электронная или дырочная электропроводность.

Электропроводность полимерных диэлектриков

Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионный характер. Источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионогенные примеси. По данным Б.И.Сажина энергия ионизации молекул примесей ионогена всего лишь 0.2 эВ и менее, концентрация свободных ионов в полимерах очень мала и составляет 10 20 — 10 22 м -3 .

Ширина запрещенной зоны у полимерных диэлектриков велика, например у фторопласта-4 W = 10.07 эВ. Однако, у некоторых полимерных диэлектриков может наблюдаться электронная проводимость, например у полимеров с сопряженными двойными связями, у которых ширина запрещенной зоны невелика.

Коррозия от блуждающих токов

Под воздействием блуждающих токов происходит процесс электрохимической коррозии. Его интенсивность зависит от состава почвы, степени обводнённости и характеристик грунтовых вод. Разрушение металла происходит из-за разности окислительно-восстановительных потенциалов, присущих стали и окружающей её почвы.

корозия

Под воздействием проходящего через трубу тока происходит образование гальванической пары в месте его выхода в почву. При этом железо, которое обладает меньшим окислительно-восстановительным потенциалом в результате процесса разрушается. И чем больше вокруг аварийного участка образуется солей, тем быстрее проходят все эти химические процессы.

В отличие от обычной коррозии, связанной с окислительными свойствами кислорода, интенсивность появления ржавчины зависит от величины разницы потенциалов. Поэтому бороться с электрохимической коррозией можно только путём устранения предпосылок, способствующих её появлению.

Ключевые различия между статическим электричеством и электрическим током

  • Электричество, при котором заряды остаются статическими, называется статическим электричеством. В то время как электрический ток вырабатывается за счет перетекания зарядов.
  • Статическое электричество возникает из-за движения отрицательных зарядов от одного объекта к другому. Ток возникает из-за движения электронов в атомах проводника.
  • Статическое электричество возникает на поверхности изолятора и проводника, тогда как электрический ток возникает только в проводнике.
  • Магнитное поле образуется током, и оно не связано со статическим электричеством.
  • Статическое электричество «уходит» в течение короткого времени (например, разряда наэлектризованного предмета), тогда как электрический ток может существовать в течение длительного времени, до тех пор, пока на противоположных концах проводника будет присутствовать разность потенциалов, создаваемых источниками тока или напряжения (батареями, аккумуляторами и другими).
  • Электроскоп с сусальным золотом измеряет величину статического электричества, в то время как ток измеряют аналоговым или цифровым амперметром.
  • Удары молнии — это примеры статического электричества. Удары молнии происходят из-за того, что на поверхности облаков накапливается заряд. Для промышленных машин, освещения и бытовой техники такое статическое электричество не подходит, так как его пока невозможно “обуздать”. Поэтому для их работы используют обычный электрический ток, вырабатываемый электростанциями.
Читайте так же:
Окпд 2 розетка силовая

Сквозной ток в диэлектрике возникает из за

Определения и исследование электрической прочности композиционных(слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты.

Общие сведения

В литературе приводятся различные механизмы пробоя твердых диэлектриков, но при пробое твердых диэлектриков. Наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя. В чистом виде при пробое ни один из механизмов не встречался.

Электрический пробой – разрешение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрушение связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время (10^<-5>-10^<-8>)с.

Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются в так называемые частичные разряды. В результате элктронно-ионной бомбардировке стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электромеханический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электромеханический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Минимальное напряжение (U_<пр>), приложенное к диэлектрику и приводящее к образовании. В нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала ,образуя на органических диэлектриках науглероженный след – трекинг.

Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции – необратимых процессов под действием тепла, и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

Где (E_<пр>) — электрическая прочность, В/м; (U_<пр>) — пробивное напряжение, В; (d) – толщина диэлектрика, м.

Читайте так же:
Сколько должно быть розеток дома

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/м.

Для экспериментального исследование пробоя используют электроды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испытания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однородность поля обеспечивает обычно путем придания поверхности электродов определенной формы, например сферической с радиусом R, значительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электрического поля в средней чести между электродами.

Приблизительно однородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подвергнуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя диэлектриков этот процесс проводят в однородном и неоднородном электрических полях. Для получения неоднородного опля используют электроды типа острие-острие или острие-плоскость. Значение (U_<пр>) в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значе6ния напряженности поля (E_<ср>= U_ <пр>/h) вблизи электрода с малым радиусом кривизны.

Большое практическое значение имеет задача изучения электрической прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектриков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бумага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая прочность ((Е_<пр>)) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точечных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и прослойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия газовых включений.

Как на постоянном, так и на переменном токе (Е_<пр>) слоистого диэлектрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений.

Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном – удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределения напряженностей определяется формулами:

Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлектрическая проницаемость εб=4,5, а у масла εм=2,2, и, соответственно, удельная электрическая проводимость γб=10-11 (Ом·м)-1, γм=10-9 (Ом·м)-1, то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на переменном токе напряженность электрического поля больше в слое масла , а на постоянном — в слое бумаге. Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньших напряжениях, чем на постоянном. Этому способствует также и наличие воздушных включений неизбежных в многослойных диэлектриках, в котором на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению электрической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азоты, разрушающие бумагу. Этот процесс называют старением.

В зависимости электрической прочности от числа листов пропитанной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для пакета из 6-7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в самом диэлектрике. Рост Епр в таком случае можно связать с уменьшение вероятности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете, а уменьшение неоднородности электрического поля и неоднородности слоистого диэлектрика(пакета листов).

В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напряжения и электрической прочности, а также определение разброса – разности между максимальной и минимальной измеренными величинами. Так как физическое явление пробоя диэлектрика имеет статический характер, то множество измеряемы величин обычно укладывается в нормальное распределение. Для статической оценки совокупности значений Uпр предусматривается расчет следующих величин статических параметров: разброса значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэфицента вариации и асимметрии, эксцесса и контрэкцесса, 90% доверительного интервала. Следует иметь ввиду, что в ряде случаев, для характеристики опытных данных по пробою диэлектриков могут кроме нормального распределения использоваться логарифмически нормальное распределение, распределение Вейбулла и двойное экспоненциальное распределение. Поэтому, прежде всего, необходимо построить гистограмму для большого количества опытов и определить, подчиняется ли нормальному распределению непосредственно контролируемые величины.

Читайте так же:
Ремонт розетки с пультом

Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности, характеризующую идеальный диэлектрик и, по-видимому, мало отражающую прочность реальных материалов; область модальных значений, отражающую процессы в реальном диэлектрике с внутренне присущими ему микроскопическими дефектами; область минимальных пробивных значений, соответствующую минимальным вероятностям разрушения изоляции. Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соответствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными.

Сети до 1 кВ

Провод сети с изолированной нейтралью можно рассматривать как протяженный конденсатор. На воздушных контурах обкладками конденсатора выступают проводник и земля, а диэлектриком становится воздух. При укладке в землю обкладками являются жила и металлическая оболочка, а диэлектриком – изоляция. По отношению к земле провод обладает некоторым сопротивлением и некоторой электрической емкостью. Это означает, что при штатном режиме работы через землю и сопротивление изоляционной оболочки протекает ток утечки, а через конденсаторы – емкостные токи.

В исправной сети геометрическая сумма токов равна нулю. Сами токи невелики и на работу электроустановок влияния не оказывают.

  • Если возникает замыкание одной из фаз на землю, последняя превращается в «поврежденную фазу», а между работающими фазами возникает линейное напряжение. Под его влиянием через места замыкания и землю протекают токи утечки и емкостные токи рабочих фаз. Величина тока замыкания увеличивается в 3 раза.
  • Если замыкание не металлическое, в этом месте появляется перемежающаяся дуга. Она гаснет и загорается при силе от 5 до 10 А и часто приводит к глубокому пробою изоляции. А так как неметаллическое замыкание – это чаще всего контакт человека с корпусом прибора или проводом, это явление представляет еще большую опасность.

В сетях с изолированной нейтралью для уменьшения токов замыкания нейтрали заземляют через дугогасящие катушки. Но такой вариант неприменим в электроустановках, где требования к безопасности повышенные – в угольных шахтах, на торфоразработках.

Допускается работа электросетей с однофазным замыканием в течение не более 2 часов. Затем необходимо отключить источник питания и найти повреждение.

Сфера применения

Сеть с изолированной нейтралью применяется на участках, где требуется поддерживать высокую безопасность, но не останавливать работу при однофазном замыкании:

  • шахты, рудники, карьеры;
  • морские суда, газо- и нефтедобывающие платформы, где заземление невозможно;
  • метро;
  • цепи управления и освещения подъемных механизмов, например, кранов;
  • дизельные, газовые, бензиновые генераторы, в том числе и бытовые.

Изолированную нейтраль допускается использовать, когда вторичные обмотки трансформатора соединены по схеме треугольника. Такое же решение используется при невозможности отключить электричество при аварии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector