Электроэнергетический факультет Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Учебная дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ТЕМА № 4 Электроизоляционные материалы ЛЕКЦИЯ № 8 Электропроводимость диэлектриков Учебные цели 1. Знать процесс образования токов смещения. 2. Знать природу электрической проводимости диэлектриков. Учебные вопросы Введение 1. Токи смещения. 2. Электропроводимость газов и жидких диэлектриков. 3. Электропроводимость твердых диэлектриков. Заключение Список рекомендуемой литературы 1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с. 2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с. 3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с. 4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 – 728с. Введение Поляризационные процессы смещения зарядов приводят к появлению токов смещения (IСМ) в диэлектриках. Токи IСМ очень кратковременны при электронной и ионной поляризациях. Свободные заряды в диэлектриках приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности І СК . 1. Токи смещения Токи абсорбции (І а б) - токи смещения (IСМ) при замедленной поляризации. При постоянном U токи І а б протекают по диэлектрику в моменты включения и выключения источника э. д. с. При переменном U токи І а б текут непрерывно пока диэлектрик находится в электрическом поле. Плотность тока утечки J УТ - сумма плотностей абсорбционного J а б и сквозного JСК токов: J ут = J аб + J ск (1) Плотность J СМ включает мгновенные и замедленные смещения зарядов. На рисунке 1 показаны емкости при замедленных ( Σ С Р ) и мгновенных (С МГН ) механизмах поляризации. После завершения процессов поляризации (1мин) через изолятор проходит только ток І СК Рисунок 1 – Зависимости J и С конденсатора с ТД от времени в постоянном электрическом поле Проводимость ТД при постоянном U определяется током ІСК , а при переменном U - током ІСК и активными составляющими поляризационных токов. Электропроводность диэлектриков ионная, реже - электронная. Сопротивление изоляции при постоянном U: R из = U / ( І ут - І аб ) (2) ТД имеют объемную и поверхностную электропроводности (оценивают удельными объемным ρ и поверхностным ρ S сопротивлениями). Удельное сопротивление ρ (Ом∙м) сопротивление куба с ребром в 1м, выделенного из ТД, если электрический ток проходит через две противоположные грани. Для плоского образца ТД: ρ=R(S/h) (3) где R - объемное сопротивление, Ом; S - площадь электрода, м2; h - толщина образца, м. По сопротивлению ρ определяют удельную объемную проводимость γ = 1 / ρ , а по сопротивлению ρ S удельную поверхностную проводимость: γS = l / (ρ S ). На рисунке 1 увеличение ІСК (кривая 2) происходит из-за постоянно протекающего в процессе старения, способном привести к пробою. Уменьшение ІСК (кривая 1) из-за того, что электропроводность ТД обусловлена ионами посторонних примесей. Удельное сопротивление ρS - сопротивление квадрата, выделенного на поверхности ТД (ток течет через две противоположные стороны): ρS=RS(d/l) (4) где R S - поверхностное сопротивление ТД между параллельными электродами шириной d на расстоянии l (рисунок 2). Рисунок 2 – План размещения электродов (1) на поверхности ТД (2) при измерении удельного поверхностного сопротивления 2. Электропроводность газов и жидких диэлектриков Газы при малой напряженности поля Е обладают малой проводимостью γ. Ток в газах возникает при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация молекул газа возникает под действием внешних факторов или соударений ионизированных частиц газа с молекулами газа (ударная ионизация). Внешние факторы проводимости рентгеновские, ультрафиолетовые и космические лучи, а также сильный нагрев газа. Процесс ионизации газа сопровождается процессом рекомбинации зарядов (препятствует безграничному росту числа ионов). Ионизированный газ находится между двумя электродами, к которым приложено напряжение. Ионы перемещаются и в цепи возникает электрический ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, а часть исчезает за счет рекомбинации зарядов. На рисунке 3 показана зависимость электрического тока от напряжения для газа. Рисунок 3 - Зависимость тока от напряжения для газа На начальном линейном участке (до UН) выполняется закон Ома: J = γ ∙Е . На участке около UН ионы уносятся к электродам конденсатора и разряжаются на них (ток стабилизируется - IСТ). На рабочем участке от UН до UKР течет ток насыщения (стабилизации) газа (IСТ). Воздух (Е = 0,6 В/м) хороший диэлектрик, пока не создадутся условия для ударной ионизации (начала пробоя) газа. При ударной ионизации (участок за UKР) ток насыщения резко увеличивается и наступает пробой газа между электродами. Электропроводность ЖД связана со строением молекул изолятора. В неполярных ЖД электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей, в том числе влаги, а в полярных - от примесей и диссоциированных молекул самой жидкости. Электрический ток в ЖД обусловлен передвижением ионов и перемещением крупных заряженных коллоидных частиц. Удалить примеси сложно, поэтому получить ЖД с малой проводимостью γ трудно. Проводимость γ любого ЖД сильно зависит от температуры Т. С увеличением температуры вязкость ЖД уменьшается, подвижность ионов возрастает и увеличивается их тепловая диссоциация. Эти факторы усиливают рост удельной проводимости: γ = А ехр (- а / Т), где А и а - постоянные, характеризующие материал изолятора. (5) 3. Электропроводность твердых диэлектриков Проводимость ТД зависит от передвижения ионов и ионов случайных примесей. Вид электропроводности ТД определяют используя закон Фарадея (ионная проводимость идет с переносом зарядов на электроды). При протекании электрического тока через ТД часть ионов примесей удаляется, выделяясь на электродах, что приводит к уменьшению проводимости и сквозного тока (рисунок 1). В ТД ионного строения проводимость обусловлена перемещением ионов (флуктуация теплового движения зарядов). При низких Т0С передвигаются слабо закрепленные ионы примесей ТД, а при высоких ионы кристаллической решетки. В ТД с атомной (молекулярной) решеткой проводимость зависит от наличия примесей. В ТД закон Ома соблюдается при малых напряженностях поля Ε (концентрация NТ и подвижность μ заряда не зависят от Ε). Удельная проводимость при Т0С (См/м): γ = q ‧ NТ ‧ μ Т (6) где q – заряд иона, Кл; NТ - число носителей в единице объема, м -3; μ Т - подвижность носителей заряда, м2 / (В∙с). Скорость перемещения ионов и электронов: υ = μ ∙ Ε (соблюдается закон Ома). Подвижность электронов μ Э больше, чем подвижность ионов μ Т . В керамике подвижность μ Т = 10 -16 м2/(В∙с). При ионной электропроводности ТД число диссоциированных ионов: (7) где N - общее число ионов в 1 м3; ЭД - энергия диссоциации; k T - тепловая энергия. Подвижность иона: (8) где μ mах - предельная подвижность иона; ЭПЕР - энергия перемещения. Подставляя NТ и μ Т в (6) и объединяя постоянные N, q и μ mах в коэффициент АТ, получаем: γ = А Т ехр (- b / Т), (9) где параметр b = ( ЭД + ЭПЕР ) / k Параметр b = 10000 - 22000 К. Чем больше энергии диссоциации ЭД и перемещения ЭПЕР ионов, тем значительнее электрическая проводимость ТД. При ЭД >> ЭПЕР температурная зависимость определяется концентрацией ионов ТД. При низких Т0С проводимость γ зависит от ионизированных примесей ТД, а при высоких - от собственных. Для расчета зависимостей параметров γ и ρ от температуры Т используют формулы: γ = γ 0 ехр [ α Т ( Т – Т 0 ) ], (10) ρ = ρ 0 ехр [ α ρ ( Т – Т 0 ) ] (11) где γ 0 и ρ 0 - соответственно удельные объемные проводимость и сопротивление при Т = То; | α Т | = | α ρ| - соответствующие температурные коэффициенты ТД. У пористых ТД при наличии влаги значительно увеличивается проводимость γ. Сушка ТД повышает сопротивление ρ, а увлажнение уменьшает. У пористых ТД с растворимыми в воде примесями снижается удельное объемное сопротивление (в объеме образуется электролит с высокой проводимостью γ). ТД для уменьшения влагопоглощения пропитывают стойкими к влаге веществами. Электропроводность γs обусловлена влагой, загрязнениями и дефектами на поверхности ТД. Вода обладает хорошей проводимостью γ. При слое влаги на поверхности появляется проводимость γs (зависит от толщины слоя). Сопротивление пленки влаги связано с природой ТД, поэтому проводимость γs рассматривают как свойство самого изолятора. Впитывание поверхностью ТД воды зависит от влажности окружающей среды. Это решающий фактор, определяющий проводимость γs ТД. У полярных ТД происходит увеличение проводимости γs, т.к. на поверхности образуется пленка электролита и липнет проводящая электрический ток грязь. Проводимость γs ТД тем ниже, чем меньше поляризуемость и чище поверхность изолятолра. Загрязнения поверхности ТД слабо влияют на проводимость γs гидрофобных и сильно гидрофильных диэлектриков. Выводы Высокой проводимостью γs обладают и объемно-пористые ТД (процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует образование пленки воды на поверхности). Для уменьшения проводимости γs применяют приемы очистки поверхности - промывку специальными жидкостями и водой с последующей просушкой ТД. Эффективными способами очистки поверхности ТД является кипячение в чистой воде и покрытие керамики пленкой кремнийорганических лаков.