МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ технология конструкционных материалов лектор профессор Целебровский Юрий

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ технология конструкционных материалов лектор профессор Целебровский Юрий Викторович УНЛ ЭТМ, II-415, Консультации: понедельник, 1515, II-415

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ технология конструкционных материалов Тема 6 Диэлектрики (электроизоляционные материалы)

Классификация электроизоляционных материалов Агрегатное состояние Газы Жидкости Твердые тела Примеры диэлектриков Природные Искусственные воздух элегаз SF6 трансформаторное масло мидель (диокилфталат) слюда, фарфор Полиэтилен, Кремнийорганическая резина

Специфические свойства диэлектриков 5.1. Удельное поверхностное сопротивление 5.2. Диэлектрические потери 5.3. Электрическая прочность ρ – удельное электрическое сопротивление ρv – удельное объёмное сопротивление ε – диэлектрическая проницаемость ρV = 106…1020 Ом∙м

Специфические свойства диэлектриков 5.1. Удельное поверхностное сопротивление Гидрофобная поверхность Гидрофильная поверхность

Специфические свойства диэлектриков 5.1. Удельное поверхностное сопротивление ρS a b Удельным поверхностным сопротивлением называется сопротивление любого квадрата поверхности, измеренное в поле, параллельном двум сторонам квадрата Отличными поверхностными свойствами обладает кремнийорганическая резина

5.2. Диэлектрические потери Расход энергии электрического поля на нагрев диэлектрика, находящегося в этом поле, называется диэлектрическими потерями Диэлектрик в поле нагревается: - при движении свободных зарядов через диэлектрик и их взаимодействии с молекулами диэлектрика (P=I2R); - при тепловой поляризации диэлектрика. Наибольшие диэлектрические потери вызывает переменное электрическое поле, вызывающее постоянную переориентацию диполей

Векторы в электротехнике I,U Активное сопротивление I,U I,U R U=I∙R

Векторы в электротехнике I,U Ёмкость I,U I,U С

Векторы в электротехнике I,U Индуктивность I,U I,U L

5.2. Диэлектрические потери Схемы замещения диэлектрика Схемы замещения диэлектрика содержат: ёмкость – отражает процессы поляризации (без тепла); активное сопротивление – отражает тепловые процессы, вызываемые как активным током, так и тепловой поляризацией последовательная схема параллельная схема

5.2. Диэлектрические потери Последовательная схема замещения диэлектрика С R I I Uc UR UR= I∙R U δ Угол диэлектрических потерь

5.2. Диэлектрические потери Углом диэлектрических потерь называют угол δ, дополняющий до 900 угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике I U δ

5.2. Диэлектрические потери Параллельная схема замещения диэлектрика U U IC IR I δ Угол диэлектрических потерь

5.2. Диэлектрические потери Pа=UIcosφ или Pа=UIа или Pа=UIр tgδ Для последовательной схемы замещения: Для параллельной схемы замещения: Для единицы объема: Pуд=E2ώε0ε∙tgδ

5.2. Диэлектрические потери Примеры значений тангенса угла диэлектрических потерь: Электротехнические стекла tg δ = 0,0005…0,025 Трансформаторное масло tg δ = 0,01…0,25 Полиэтилен tg δ = 0,00007…0,0002

5.3. Электрическая прочность При увеличении напряжения, прилагаемого к диэлектрику, после определенного предела происходит электрический пробой, выражающийся в скачкообразном увеличении электропроводности, вплоть до образования плазменного канала: U

5.3. Электрическая прочность Электрической прочностью Епр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой: Напряжение Uпр, при котором происходит электрический пробой, называют пробивным напряжением При увеличении разрядного промежутка пробивное напряжение возрастает, а электрическая прочность снижается.

5.3. Электрическая прочность Пробой газов Электрический пробой газов начинается с появления в разрядном промежутке свободного электрона F = ma; W=mv2/2

5.3. Электрическая прочность Пробой газов Электрический пробой газов начинается с появления в разрядном промежутке свободного электрона

5.3. Электрическая прочность Пробой газов Электрический пробой газов начинается с появления в разрядном промежутке свободного электрона

5.3. Электрическая прочность Пробой газов

5.3. Электрическая прочность Пробой газов Электропроводящий плазменный канал, прорастающий в разрядном промежутке от катода вслед за прохождением лавин, называется стримером

5.3. Электрическая прочность Пробой газов q = CU q I Стример, у которого в результате увеличивающегося тока подзаряда головки стримера произошла термоионизация канала, называется лидером

5.3. Электрическая прочность Пробой газов При замыкании лидером разрядного промежутка происходит главный разряд

5.3. Электрическая прочность Пробой газов Электрическая прочность газов Давление 0,1 МПа 0,3 МПа Воздух (в однородном поле, промежуток 1 см) 3 кВ/мм 10 кВ/мм Элегаз SF6 ( в тех же условиях) 8,7 кВ/мм 20 кВ/мм 0 Пути повышения электрической прочности газообразных диэлектриков: Повышение давления. Применение электроотрицательных газов.

5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Теория ударной ионизации не подходит для описания процесса развития разряда в жидкости. e Епрλ = W e – заряд электрона λ – длина свободного пробега, в жидкости λ ≈ 5∙10-10м W – энергия ударной ионизации W ≈ 5 эВ Епр=10000 кВ/мм Реально Епр жидкостей ≈ 20…40 кВ/мм

5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Современная теория пробоя жидких диэлектриков (С.М.Коробейников) εг ≈ 1 εж ≈ 2…81 Ег>Еж, всегда.

5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Современная теория пробоя жидких диэлектриков (С.М.Коробейников) 1. Под действием электрического поля, после достижении на пузырьках падения напряжения Up. в них возникают ионизационные процессы (частичные разряды) 2. После разряда поле в пузырьке уменьшается вследствие экранирования осевшими зарядами внешнего поля, что вызывает ослабление либо прекращение ионизационных процессов.

5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Современная теория пробоя жидких диэлектриков (С.М.Коробейников) 3. Действие электрического поля на осевший заряд приводит к движению стенки пузырька и его вытягиванию вдоль поля, а также к продвижению заряда вглубь жидкости со скоростью, определяемой подвижностью носителей заряда. При этом возможны две ситуации: а) поддержание разряда в виде “тлеющего разряда” (на пузырьке поддерживается некоторое напряжение, по-видимому, соответствующее закону Пашена) б) прекращение разряда (напряжение на пузырьке растет, что ведет к повторному частичному разряду и движению в жидкости новой волны зарядов).

Современная теория пробоя жидких диэлектриков (С.М.Коробейников) 5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков

Последовательность событий при пробое с анода. 5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Исходный пузырёк Деформированный пузырек. 0,45 мкс Веер стримеров из кончика пузырька, 1 мкс Веер стримеров из кончика пузырька перед остановкой1,2 мкс Возникновение следующего веера стримеров, 1,5 мкс Гидродинамические явления после пробоя, 1,7 мкс

Последовательность событий при пробое с катода. 5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков Исходные пузырьки Деформированные пузырьки. 0,25 мкс Грибовидная форма пузырька. 0,65 мкс Начало развития стримера, 0,66 мкс Стример, 1 мкс Стример, 1,5 мкс

Электрическая прочность жидких диэлектриков Трансформаторное масло 12…26 кВ/мм Конденсаторное масло 20…25 кВ/мм Кабельное масло 14…24 кВ/мм Совтол (хлорированный ж.д.) 20 кВ/мм Фторорганические жидкости 12…20 кВ/мм Пути повышения электрической прочности жидких диэлектриков: Сушка. Очистка от примесей. Дегазация (вакууммирование) Повышение давления 5.3. Электрическая прочность Пробой жидких диэлектриков

5.3. Электрическая прочность Пробой твердых диэлектриков Виды пробоя твердых диэлектриков: 1. Электрический пробой 2. Тепловой пробой 3.Пробой под действием частичных разрядов

5.3. Электрическая прочность Пробой твердых диэлектриков Электрический пробой При электрическом пробое твердого диэлектрика под действием приложенного напряжения разрываются химические связи, и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорциональна энергии химических связей (Ю.Н.Вершинин) Епр~ Wхимических связей

5.3. Электрическая прочность Пробой твердых диэлектриков Тепловой пробой Под действием приложенного напряжения происходит разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь: Pдп=U2ώCtgδ При этом tgδ растет с повышением температуры: tgδ= tgδ0еά(Т-То) Pдп1 Мощность отводимого тепла пропорциональна разнице температур: Ротв=άS(T-T0) Pдп2

5.3. Электрическая прочность Пробой твердых диэлектриков Пробой под действием частичных разрядов Частичным разрядом (ЧР) называют разряд, проходящий в какой-либо ограниченной области разрядного промежутка. И не замыкающий весь промежуток εг ≈ 1 εт ≈ 2…7 Ег>Ет, всегда.

5.3. Электрическая прочность Пробой твердых диэлектриков Значения электрической прочности Полиэтилен 25…60 кВ/мм Поливинилхлорид 20…50 кВ/мм Политетрафторэтилен (фторопласт4) 13…15 кВ/мм Гетинакс 20…40 кВ/мм Стеклотекстолит 20…30 кВ/мм Мусковит (слюда) 100..250 кВ/мм Миканит (слюда+смола глифталиевая) 16…38 кВ/мм Изоляционное стекло 30…70 кВ/мм Электрофарфор 30…32 кВ/мм