ритуальные услуги

Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Как уже указывалось в лекции 2, способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения.

Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков или просто иметь границу раздела.

Диэлектрические потери

В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами.

Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков.

В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм.

Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT  или n = P/kT.

Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, считая жидкость плотным газом.

Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика.

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля.

Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики

Поглощение и выделение газов маслом.

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. Масло способно поглощать и растворять  весьма  значительные количества воздуха и других газов

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды.

По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы.

Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.

          Диэлектрические вещества- это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением                                                                                             (8.1)

 где e0 - диэлектрическая постоянная, e0 = 8.85 10-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля. 

Резистивные вещества- такие вещества, в которых электрическая энергия расходуется, т.е. преобразуется в другой вид энергии, а именно в тепловую энергию.

 Удельные потери энергии при действии постоянного напряжения определяются выражением

                                                                                      (8.2)

где r - удельное электрическое сопротивление, t - длительность действия напряжения.

Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:

t=e0×e×r ,                                                                           (8.3)

Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t, вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w, где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.

    Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять взяв плоский конденсатор  с веществом, имеющим соответствующие e,r  (Рис.8.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его проводником .

                                                                                   (8.4.)

Собственно говоря рис.8.1 и изображает простейшую схему замещения реального конденсатора на идеальные конденсатор и сопротивление. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.

Простейшая схема замещения диэлектрика состоит из параллельного соединения емкости и сопротивления.

Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.8 постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (8.4.) можно получить RC=t=e0×e×r. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.

   

Рис. 8.1. Простейшая схема замещения диэлектрика.   

          Рассмотрим некоторые примеры. Хорошо очищенное от примесей трансформаторное масло обладает удельным сопротивлением до r = 1012 Ом·м, диэлектрической проницаемостью e= 2.2, откуда t=e0×e×r» 20 сек.  Сравнивая с 1/w»3·10-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц, можно заключить, что t >> 1/w, т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение rможет упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t£0.1 сек., что сравнимо с 1/w. Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.

 В качестве второго примера рассмотрим воду. В обыденной жизни обычная вода является проводником и это не требует доказательств. Однако для импульсных устройств типа емкостных накопителей энергии вода является наиболее подходящим диэлектриком. Действительно, у хорошо очищенной воды r »106 Ом·м, и при e» 80, значение t превышает 500 мксек. Значение W для импульсов длительностью 1 мксек и менее максимально в сравнению с аналогичным параметром для других диэлектриков. Ясно, что вода может считаться хорошим диэлектриком для этого случая. Обычная водопроводная вода имеет r »10-100 Ом×м , следовательно она является проводником практически для любых импульсов напряжения.  

Для ряда случаев схема замещения диэлектрика может представляться в виде последовательного соединения емкости и небольшого сопротивления r. При этом значения емкостей при параллельном и последовательном представлениях близки друг другу, тогда как сопротивления сильно различаются. Для хороших диэлектриков R>>r.


На главную