Диэлектрические потери и пробой диэлектриков А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
1. Диэлектрические потери n n n Диэлектрические потери – электрическая мощность, поглощаемая в диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения. Эта мощность рассеивается, превращаясь в теплоту. Потери складываются из: n мощности, теряемой при прохождении постоянного сквозного тока утечки через сопротивление изоляции, в соответствии с законом Джоуля–Ленца – омические потери: Pскв = UI =U 2 / R = I 2 R; n потерь при переменных токах, обусловленных процессами миграционной и релаксационной поляризаций – собственно диэлектрические потери; n ионизационных диэлектрических потерь, связанных с ионизацией диэлектриков в газообразном состоянии, наличием газовых включений в твердых телах. В качестве характеристики материалов обычно используются удельные диэлектрические потери p – потери, отнесенные к единице массы, Вт/кг, или к единице объема материала (плотность мощности потерь), Вт/м 3. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 2
1. 1. Угол диэлектрических потерь n n n В переменном электрическом поле E = E 0 exp(i ) через диэлектрик течет ток, который представляет собой сумму плотности сквозного тока iскв и плотности тока смещения iсм: i = iскв + iсм; iскв = E; iсм = d. D / d. В этом случае ( ) = ’( ) + i ”( ), и полный ток подразделяется на активную ia и реактивную ir составляющие: i = ia + iir; ia = ( + 0 ” )E; ir = 0 ’ E. В чисто емкостной цепи полные потери составляют: P = Uia = Uirtg = U 2 C tg ; tg = ia / ir, где – угол диэлектрических Резкое увеличение потерь. tg с некоторого Значение tg для лучших электроизоляцион значения U связано ион -ных материалов составляет ~10– 5 10– 4. с ионизацией Диэлектрические потери увеличиваются с воздушных ростом температуры. включений или других газов в Добротность изоляции Q = 1 / tg. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ изоляции. 3
2. Пробой твердых диэлектриков n n При достижении некоторого критического значения, называемого пробивным напряжением Uпр, наступает пробой, представляющий собой разрушение диэлектрика с потерей им электроизоляционных свойств. При пробое ток утечки сильно возрастает, а сопротивление снижается, и получается короткое замыкание между проводниками в месте пробоя. Пробивное напряжение зависит от толщины изоляции h, т. е. расстояния между электродами. Чем толще слой электроизоляции, тем выше пробивное напряжение. Поэтому вводится такая характеристика, как способность материала противостоять пробою, – электрическая прочность Eпр. Для равномерного электрического поля: Eпр = Uпр / h. В большинстве случаев пробивное напряжение возрастает с увеличением толщины изоляции медленнее, чем по линейному закону. В особо тонких слоях начинают сказываться неоднородности структуры и электрическая прочность уменьшается. Для надежной работы электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции Uраб должно быть существенно меньше Uпр. Отношение Uпр / Uраб называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 4
2. 1. Виды пробоя в твердых диэлектриках n n Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем жидких и, тем более, газообразных при нормальном давлении. Различают несколько видов пробоя: чисто электрический, тепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный. Чисто электрический, или собственный, пробой – это непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля (электронная лавина). Тепловой пробой связан с нагревом изоляции в электрическом поле. Тепловой пробой может иметь локальный характер, при котором средняя температура всего объема изолятора существенно не изменяется. Таким образом, тепловой пробой существенно зависит от отвода выделяющегося в диэлектрике тепла в окружающую среду. Пробивное напряжение при тепловом пробое существенно зависит от времени приложения напряжения. Если это время невелико, то диэлектрик не успевает разогреться и пробой не наступает. С ростом частоты электрического напряжения и ростом окружающей температуры 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 5
2. 1. 1. Виды пробоя (продолжение) n n n Электромеханический пробой подготовляется механическим разрушением материала (образованием макроскопических трещин) силами электрического поля (давлением электродов). Электрохимический пробой связан с химическим изменением материала в электрическом поле, например, прорастание металлических дендритов (древовидных кристаллитов) в результате электролиза. Этот вид пробоя имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением оксидов металлов переменной валентности, например, в керамике. Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 6
2. 1. 2. Электрическая прочность твердых диэлектриков Наименование диэлектрика Асботекстолит Eпр, МВ/м 1, 0 -1, 5 Гетинакс 12 -35 Капрон 20 Лавсан 80 -120 Микалекс 12 -20 Полистирол 25 -40 Полиуретан 20 -25 Полиэтилен 45 -55 Текстолит 2, 2 -25 Электрофарфор 20 -30 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7
2. 2. Пробой газов n n Под воздействием электрического поля заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают по длине свободного пробега дополнительную энергию W = q. E , где E – напряженность электрического поля; q – заряд частицы; – длина свободного пробега. Если W Wи – энергии ионизации газовых молекул, то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т. е. расщепление молекулы на электроны и положительные ионы. Освобожденные при этом «вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, ионизируют молекулы газа, образуя электронную лавину. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8
2. 2. 1. Электрическая прочность некоторых газов Eпр, МВ/м Газ Воздух 3 Водород 1, 8 Азот 3 Гелий 0, 72 Фреон 7, 4 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 9
2. 2. 2. Влияние расстояния между электродами n 17. 02. 2018 Зависимость максимальной электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле (f = 50 Гц, t = 20 о. С, p = 1 атм) А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 10
2. 2. 3. Влияние давления n 17. 02. 2018 Пробивное напряжение (f = 50 Гц) в парах в зависимости от давления n C F (1), 7 14 n SF (2), 6 n воздух (3) А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 11
2. 3. Пробой жидких диэлектриков n n n n Пробой жидких диэлектриков – явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. Загрязнения (волокна, смолистые вещества и др), вода понижают электрическую прочность диэлектрика. Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков. Конфигурация электрического поля и полярность электродов вызывает изменение пробивных напряжений жидких диэлектриков. Большая продолжительность воздействия электрического поля на диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения. Пробивное напряжение повышается с увеличением давления. Зависимость Uпр от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных примесей, что указывает на большое влияние газообразных примесей. По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко снижается. 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 12
2. 3. 1. Электрическая прочность некоторых жидких диэлектриков Жидкость Нефтяная Трансформаторное масло Конденсаторное масло Синтетическая Совол, совтолы Полиэтилсилоксановые жидкости Полиметилсилоксановы е жидкости 17. 02. 2018 А. В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ Eпр, МВ/м 15– 20 20 14– 22 18– 45 15– 35 13
Скачать презентацию Диэлектрические потери и пробой диэлектриков А В Шишкин
dielloss_3989.ppt