Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электро-
проводностью, проявляются во всех без исключения диэлектриках, как в постоянных, так и в переменных электрических полях.
Диэлектрические потери на поляризацию наблюдаются в диэлектриках с релаксационными видами поляризации (полярных, диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов, сегнетоэлектриках).
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью
структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, а также в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды – микалентах, микалексе и т.п. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии или твердым диэлектрикам, имеющим газовые включения. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.
Резонансные диэлектрические потери происходят в диэлектрике, когда частота электрического поля приближается к частоте собственных колебаний элементарных частиц диэлектрика (f=109 – 1010 Гц).
21.Дать общую характеристику явления пробоя диэлектриков.
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Эту внезапную потерю электроизоляционной способности материала под действием внешнего электрического поля называют пробоем. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением (U пр), кВ.
По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:
- электрический;
- электротепловой;
- электрохимический;
- ионизационный.
22.Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность газов?
Пробивное напряжение в однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном при прочих равных условиях. Кроме этого Uпр, Eпр, газа зависят от рода тока, температуры, влажности, давления и химического состава газа.
23.Как длина свободного пробега электрона связана с электрической прочностью диэлектрика?
Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами.
При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.
При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.
При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.
24.Дать понятие о тепловом пробое. Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность при тепловом пробое?
Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала: органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, вследствие их малой нагревостойкости.
Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле. Для возникновения теплового пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь одно место диэлектрика, где теплоотдача хуже или повышены удельные диэлектрические потери. При этом средняя температура всего объёма диэлектрика мало отличается от температуры, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения. Для того, чтобы температура диэлектрика не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение диэлектрика, необходимо правильно установить допустимое напряжение.
25.Что оказывает влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков?
Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и мельчайшие механические частицы.
Наличие примесей значительно усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов пробоя. В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами, как и в случае пробоя газов (электрический пробой). Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах.
Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от многих факторов, однако наибольшее влияние на прочность оказывают примеси: вода, газы и твердые частицы. Пробой масла, содержащего газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся при ионизации пузырьков газа, который приводит к испарению легких фракций масла и образованию газового канала между электродами.
Влага в трансформаторном масле может находиться в трех состояниях: в растворенном виде, в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны шарики диаметром 2-10 мкм) и в виде отстоя на дне резервуара.
Молекулярно растворенная вода мало влияет на электрическую прочность трансформаторного масла и тангенс угла диэлектрических потерь, однако способствует повышению окисляемости масла и снижению его стабильности. Вместе с тем даже малые доли процента эмульсионной воды значительно снижает его электрическую прочность (рис.32).
Это объясняется тем, что под действием электрического поля шарики эмульсионной воды поляризуются и, притягиваясь между собой разноименными концами, образуют цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры.
На электрическую прочность масла оказывает влияние частота приложенного электрического поля.
При увеличении частоты электрического поля до 105 Гц электрическая прочность трансформаторного масла уменьшается, что вызвано его разогревом за счет диэлектрических потерь.
26.Как и почему электрическая прочность газов зависит от давления?
При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.
При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.
При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.
27.Тепловые свойства диэлектриков.
Тепловые свойства характеризуют способности диэлектриков к температурным воздействиям в процессе эксплуатации.