Експертно изследване на изолационни материали за електротехниката

Експертно изследване на изолационни материали за електротехниката
Ефективност и устойчивост на електрически машини и инсталации зависи от състоянието
на изолацията, електрически устройства, за които са използвани материали. Те се
характеризират с набор от специфични качества, когато са поставени в условия на
електромагнитно поле, и са монтирани в устройства, базирани на тези показатели.
Класификация електрически материали позволява разделени на отделни групи от
изолационен, полупроводников, провеждането и магнитни материали, които допълват основните
продукти: кондензатори, проводници, изолатори и полупроводникови елементи готови.
Материали, които да действат като отделни магнитни или електрически полета със специфични
свойства и са изложени на множество лъчения едновременно. Магнитни материали обикновено
се разделят на слабо магнитни субстанции и магнитни субстанции. В електрическата техниката
най-често се използва силни магнитни материали.
МАТЕРИАЛОЗНАНИЕ
Материалът се казва вещество, характеризиращ се различава от други обекти на
химичния състав, свойства и структурата на молекули и атоми. Веществото е в една от четирите
страни: газообразен, твърд, течен или плазма. Електрически и структурни материали се
представят, за да инсталирате различни функции.
Провеждане на материали предават електрони компоненти поток осигуряват диелектрична
изолация. Прилагане на елементи резистор конвертиращия електрическа енергия в топлина,
материалите на строителни продукти запазват тяхната форма, например, на корпуса.
Електрически и строителни материали, необходими за извършване на не една, а няколко
свързани функции, като например изолатор в тестовете за електрически товар, което го довежда
до структурни материали.
Електрически материали науката - науката се занимава с определянето на свойствата,
изучаването на поведението на материята под влиянието на електроенергия, топлина, студ,
магнитни полета и други точни науки, особеностите, необходими за изграждане на електрически
машини, съоръжения и инсталации.
Класификация и видове електротехнически материали. .
В зависимост от поведението си в електромагнитно поле веществата се делят на 4 основни
групи:
1
1) Магнитни материали
2) Електроизолационни материали (диелектрици)
3) Проводникови материали
4) Полупроводникови материали
По поведението си в електрично поле веществата се делят на електроизолационни материали
или диелектрици, проводникови материали и полупроводникови материали.
Разглеждаме обем от вещество във вид на куб и на две от срещуположните страни сме залепили
метално фолио.
Разстоянието е h, а площта s
h[m]
s [m2]
I [A]
J [A/m2] плътност
I
J=
S
U
/m
],
във веществото се формира ел. поле с интензитет Eh,[V
което поле обуславя протичането на ток през веществото.
Между плътността на тока J и интензитета Е съществува
зависимост дадена с условие (1)
J  E
(1)
γ - физична характеристика с дименсия [s/m] (сименс на метър) и се нарича специфична
електропроводимост. То определя протичането на ел ток във веществото, който ток се дължи на
насоченото движение под действието на ел поле на свободни заряди наречени токоносители.
1
,m
].
Реципрочната стойност на γ е ,[
За γ е валидна следната зависимост:
V

nq
nqk
E
(2)
където
V
k
E
n - бр. на токоносителите
q - заряда на електрона
V - скоростта с която се движи токоносителя под дейсвие на ел. поле
V
 k се нарича подвижността на заряда
E
Класификация по ρ [γ]
При твърдите вещества плътността е голяма, атомите са близо разположени, техните енергийни
нива се свиват и се образуват зони.
1 - съответства на нормално състояние
на атома
2 - съответства на възбудено състояние
на атома
3 - съответства на валентна зона
4 - съответства на свободна зона или
зона на проводимост
2
5 - между тях се образува нова зона - забранена
Диелектрици
ρ[10+7-1020] Ωm
йонна проводимост
ΔWзз=(3-5) eV
Диелектриците се използват за изолация на проводници и кабели и за направата на кондензатори
Полупроводниковите материали (ППМ)
ρППМ[10+6-109] Ωm
електронна проводимост
ΔWзз=(0,2 - 3,5) eV
Проводникови материали (ПМ)
ρ[10-8-10-5] Ωm
електронна проводимост
ΔWзз=0
Валентна зона се допира или припокрива зоната на проводимост. Използват се за направа на
проводници и жилата на кабели.
Диелектрици. Механизъм на електропроводимостта в диелектриците. Видове
проводимости и съпротивления при електронна система.
Електропроводимост - способността на веществото да провежда неизменен във времето
ток под действие на слабо, постоянно ел. поле. Слабото поле се определя до определена
стойност на интензитета Е до която има линейна зависимост между тока и напрежението.
Слабо поле.
Токът на проводимост се дължи на йони получени от
външен източник, а полето само ги насочва и създава тока
При IПР йоните биват собствени когато се дължат на
самия материал и примеси когато се дължат на друг
диелектрик във основния.
Силно поле.
При него настъпва йонизация, като от самия
диелектрик се получават свободни електрони и йони, токът
нараства много бързо и при някаква стойност на полето
диелектрикът загубва изолационните си свойства и се
превръща в проводник.
Това явление се нарича електрически разряд при газове и течни диелектрици и ел. пробив
във твърдите диелектрици.
Видове проводимости и съпротивления.
U
E ,V
/m
h
I
I=Iv+Is
- общ ток
Is - повърхностен ток
Iv - обемен ток
Ако разделим тока на напрежението получаваме проводимост
G=Gv+Gs
3
G- обща проводимост
Gv - обемна проводимост
Gs - повърхностна проводимост
1
G
1 1 1
 
R RvRs
h
Rv
=v
s
ρv - специфично обемно съпротивление и е равно на съпротивлението на куб с размер 1
мислено изрязан от диелектрика когато тока тече през две срещуположни стени на куба
S


Rv
[

m
](
s
)
v
h
Поглед отпред.
Поглед отгоре.
R
2- съелектроди
2- електроди
h
Rs

[
]
s
l
ρs - специфично повърхностно съпротивление (Равно е на съпротивлението на квадрат
мислено изрязан от диелектрика когато токът тече през 2 срещуположни стени на квадрата
l

Rs[
]
s
h
На практика измерваме Rv и Rs, а ρv и ρs, и γv γs изчисляваме и те са характеристиките на
диелектрика.
За разделянето на Iv и Is се използва така наречената триелектродна система
4
1 – диелектрик
2 - измервателен електрод
3 - захранващ електрод
4 - защитен пръстен
Между електроди 2 и 3 измерваме Rv, между 2 и 4 Rs.
Влияние на температурата върху обемната проводимост на
хомогенни и нехомогенни диелектрици.
Хомогенен - еднороден диелектрик без примеси, във който проводимостта ще се дължи на
собствените му йони и се нарича собствена проводимост.
Нехомогенен - съдържа примеси и неговата проводимост е сума от примесна и собствена
проводимост.
 n.q.k
(1)
n - броя на токоносителите
q - заряда на електрона
k - подвижността на зарядите на токоносителите (
k
V
E)
Когато температурата нараства, нараства n, броя на токоносителите в резултат на топлинна
дисоциация (разкъсване на молекулата на йони под действие на топлинното хаотично движение.
Зарядите n нарастват и в резултат на дефекти в кристалната решетка.
При течните диелектрици, с нарастване на температурата, нараства и подвижността k, тъй като
се разширява обема на диелектрика, което улеснява движението на йоните.
Следователно, когато температурата нараства γ нараства а ρ намалява.
За преобладаващият брой диелектрици се прилагат 2 формули.
a

T
  A.e
за малък температурен интервал
  0et
γ0 - проводимост при стайна температура
α - характеристика на диелектрика
Т - градуси по Келвин
С - градуси по Целзий
1

ln

hA



T

5
YCax- уравнение на линия
- хомогенен диелектрик
- нехомогенен диелектрик
При хомогенен диелектрик γ във функция от температурата е
линейна зависимост, като токоносителите са собствени йони.
В участъка аb съответства на примесната проводимост, като тя
се дължи на примесните йони в диелектрика, които са по-слабо
свързани в структурата на диелектрика и затова са по-лесно
подвижни.
С нарастване на температурата след точка b се проявява собствената проводимост, тъй като за
да се отделят собствените йони е необходима по-голяма стойност на температурата.
Ако диелектрикът се изчисти от примеси, то проводимостта ще се представи с графика сс` (прим).
За да характеризираме температурната зависимост на γ се въвежда характеристиката αr=αρ и се
нарича температурен коефициент на изменение на съпротивлението r или на специфичното ρ.
αr - показва с колко ще се измени съпротивлението ако повишим температурата с 1 градус
Зарядите които са в структурата на кристалната решетка и могат
да се преместват на ограничено разстояние се наричат свързани
заряди (в черно). Те определят явлението „електрическа
поляризация”.
Зарядите от дефекти се наричат свободни заряди или
токоносители (червено) и те могат да се преместват във целия
обем на диелектрика но техният брой е ограничен. От тях зависи
електропроводимостта.
Видове поляризации в диелектрика. Определяне на
времеконстантата τ.
Поляризациите биват 2 групи:
Бързи поляризации.
Без загуби, малка времеконстанта като поляризациите не зависят от честотата на полето ω.
Биват 2 вида:
- електронна
Проявява се абсолютно във всички диелектрици и се дължи на изместване на електронната
орбита на атоми и йони по посока на полето, в резултата на което в атома се индуцира
електричен момент различен от 0
6
Атомът е електронеотрален и момента му е равен на 0.
Ако приложим поле Е електрона бързо ще отиде към анода а ядрото като по-тежко ще изостане
назад в следствие на което ще се получи електричен момент.
- йонна
Във диелектрици със йонно-кристален строеж и зависи от температурата

12

14


10

10
,s
Неполярните диелектрици имат електронна поляризация  r приблизително равна на 2.
Слюдата прави изключение като  r е от 5 до 7
Бавни поляризации.
Бавните поляризации са свързани с диелектрични загуби и зависят както от честотата на полето
така и от температурата на диелектрика и се делят на диполно-релаксационна поляризация,
радикално-релаксационна поляризация и миграционна поляризация.
Диполно-релаксационна поляризация
Проявява се в полярни диелектрици със диполен строеж
7
Времеконстанта τ=10-6-10-8s
Радикално-релаксационна поляризация
Проявява се само в целулозата като всичко което е валидно за диполно-релаксационната
поляризация е валидно и за нея
Миграционна поляризация
Много бавна с много големи диелектрични загуби. Наблюдава се в диелектрици с нехомогенен
строеж или в съставни диелектрици
τ=10-2-10+2s
При диелектриците е валиден принципът на
сумиране на влиянието на отделните поляризации,
тоест сумираме бързи и бавни поляризации чрез
степента на поляризация
При положение:
1 имаме включване.
t
 


e 
1
P
(t)P

P
1
0
(t)
P

2


2 имаме изключване на напрежението при което бързите
поляризации изчезват мигновено (Р1=0) и
t


P
(
t
)

P
(
t
)

P

e
2
0
където (за двете формули):
Р1 – не зависи от времето и от бързи поляризации
8
Р(t) - сумарна степен
Р0 - установената стойност на степента на поляризация за време t=  , когато всички диполи са
ориентирани по посока на полети и поляризацията е напълно осъществена.
И още при 1 имаме следната графика:
при положение 2, Р1 става равно на 0 и графиката е:



0
P
P
(
t

)

P
e0
2
e
Влияние на чистотата на електричното поле и температурата на диелектрика върху  r .
 r е функция на две променливи: на честотата на полето и на температурата на диелектрика.
r ,
Влияние на честотата върху  r при постоянен темп.
Анализът на  r се прави като се използват така наречените функции на Дебай, които аналитично
описват двете компоненти  r и  r ' на комплексната диелектрична проницаемост
*r r j
. 'r
Дебай:
r
r r 
2
1

'r' r 
2
1
2
1
2
r
1
Δ
- отразява влиянието на бързите поляризации
r
2
- отразява влиянието на бавните поляризации
ω - честота на външното поле
τ - времеконстантата на поляризацията
неполярен


r
Неполярният диелектрик  r има само първата компонента. ( r
)
1
9
Полярен диелектрик (  r за полярен)
ωτ
r
 'r'
ωτ=0
ωτ<1
ωτ=1
ωτ>1
r  r r  r r 0,5
r
1
2
1
2
1
2
r
 r .
2
1
 r
0,5. r
2

2

r
1
0
ωτ→
0
1
0 

  0
  1
Около резонансната честота се дефинира една област наречена дисперсна зона (ДЗ).
Разглеждаме полярен диелектрик в който се проявяват бързи

 r
поляризации ( r ) и бавни поляризации (
).
1
2
При честоти ω по-големи от 0 но по-малки от ω0 (І област) честотата
на външното поле е малка, времето на неговото действие е голямо
достатъчно да се ориентират диполите като във диелектрика се
проявяват и бързите и бавните поляризации. С нарастване на
честотата във сиперсната зона (ІІ област), времето на действие на
 r
полето намалява и все по-малка част от диполите могат да следят промяната на полето и
намалява.
2
При честоти ω по-големи от ω0 след дисперсната зона, времето на действие на полето е много
малко, диполите не могат да следят промяната на полето, бавната поляризация изчезва и остава

само бързата и  r се определя със r . Втората компонента  r ' ' се проявява само в
1
дисперсната зона и площта заградена от графиката на  r ' ' и абсцисната ос е пропорционална на
диелектричните загуби от поляризация.
Намаляването на  r с нарастване на честотата се нарича честотна дисперсия.
 r от температурата при постоянна честота.
10
Неполярният диелектрик (

неполярен


r
r
)
1
При неполярен диелектрик
с нарастване на температурата  r намалява тъй като намалява плътността на диелектрика и от
там броя на частиците в единица обем които могат да се поляризират.
Полярен диелектрик. При температури до дисперсната зона (І обхват) силите на взаимодействие
между частиците са големи, диполите не могат да следят промяната на полето и  r се определя

само от бързите поляризации r . С нарастване на температурата в дисперсната зона (ІІ
обхвата) силите на взаимодействие между частиците намаляват и все по голяма част от
диполите могат да следят промяната на полето.
1
При температури по-големи от дисперсната зона (ІІІ обхват) силите на взаимодействие между
диполите са малки. Те напълно се ориентират и бавната поляризация се осъществява напълно
(графика а) и  r със r1r2.
Ако отчетем че с нарастване на температурата нараства и топлинното хаотично движение което
 r
пречи на диполите да се ориентират в посока на полето, то
намалява и се представя с

'
'
графика б. r се проявява само в дисперсната зона и площта заградена от графиката и
2
абсцисната ос е пропорционална на диелектричните загуби от бавните поляризации.
Електрическа заместваща схема на диелектрик. Токове през диелектрика при постоянно
напрежение
Необходимо е да се направи подходяща заместваща схема като
ел.веригата, която вярно да отразява същността на процесите в
диелектрика. Поляризацията в диелектрика води до нарастване на
зарядите върху електродите му и затова моделираме поляризацията с
един кондензатор, а електропроводимостта с резистор. Заместващата
схема се образува от n паралелни клона включително към източника на
напрежение като всеки клон моделира дадено явление.
За диелектриците е валиден принципът на наслагване на процесите
т.е. на сумиране на влиянието на отделните явления.
Първоначално разглеждаме нехомогенен диелектрик, в който се проявяват следните
поляризации:
11
- електронна
- йонна
- диполно-релаксационна
- миграционна
- електропроводимостта
S
C
00 ,F
h
Бавните поляризации (клон 4 и 5) представяме като R с верига (резистор и кондензатор) тъй като
тези поляризации имат голяма времеконстанта ε и големи диелектрични загуби.
На практика работим в хомогенен диелектрик, което означава, че ще отпадне клон 6
Събираме кондензаторите
C
C

C


C
1
0
eл
йонно
ЪC

C
2
ДРП
r
r
2
ДРП
За полярен хомогенен диелектрик използваме следната заместваща схема
Токове през диелектрика при постоянно напрежение
Токовете ги представяме във функция от време.
12
I = I1 + I2 + I3
(1)
I1 - се нарича внезапен ток. Дължи се на геометричния капацитет и на бързите
поляризации и аналитично се определя с условие (1)
t
U 
I1 .e R.c
R
1
1
където
R1 - съпротивление на съединителните проводници на кондензатора с източника
с - капацитет
I2 - абсорбционен ток. Затихва с голяма времеконстанта и определя големината на общия ток в
началния момент.
U
I
3
R
изолационн
о
- тока на проводимост. Той протича през диелектрика до тогава докато действа напрежението. По
този ток се оценява изолационното съпротивление.
На практика изолационното съпротивление се измерва 1 (една) минута след подаване на
напрежението за да може да затихне тока на поляризация и да остане само тока на проводимост.
Токове през диелектрик през променливо напрежение Векторна диаграма на токовете. tg δ
Тока през резистор се нарича чисто активен. Дава загуби на
мощност и повтаря кривата на напрежението във някакъв
U
i3 
R.
мащаб
uU
.sin

t
m
q

c
.Um
.sin

t
(1)
Токът през един кондензатор се нарича капацитивен,
изпреварва със 900 напрежението и няма диелектрични
загуби.
icj.
.c
.U
m
13
При променливо захранващо напрежение, токовете и напреженията представяме като векторни
величини със определена големина и ъгъл между тях, в зависимост от това дали тока е през
резистор, през капацитет или RC верига (2-ри клон).
Векторите сумираме по правилото за сумиране на вектори.
Ще работим с интензитета
U
E ,V
/m
h
i
2
J ,A
/m
S
и с плътността на тока
Δ - ъгъл на диелектрични загуби
Тока i2 проектираме върху двете оси.
3
J
tg
 a
1
Jk

 
2
Тангенса от ъгъла на диелектричните загуби се
определя от отношението на активната компонента на
общия ток към капацитивната компонента и е число без
дименсия по-малко от 1 и е показател за големината на диелектричните загуби.
Диелектрични загуби.
Мощността отделена в един диелектрик под действие на електричното поле, която се превръща в
топлина и го загрява се нарича диелектрични загуби.
Загубите биват:
Р [V] - пълни
P
3

 ,[V
/m
]
V
- специфични
- при постоянно напрежение (U)
Загуби има само от електропроводимостта докато загуби от поларизация има само в момента на
включване на диелектрика под напрежение (пренебрегват се).
2
U
U
P

U
.
I

U
. ,
[
w
]
R
R
2 22
U
E
.
h 1 2
P
 
 .
E
(
S
.
h
)
h
R
v

v
S
P
2
p .E
V
14
- Променливо напрежение (~U)
Имаме загуби както от електропроводимост, така и от бавни поляризации и то във всеки
полупериод.
2
P

U
.
I
.
cos


U
.
I

U
.
I
.
tg


U
.

.
c
.
u
.
tg


U
.

.
c
.
tg

a
c
- Специфично напрежение
S22
P


.

.

E
.
h
.
tg

0
r.
h
Зависимост на tgδ и р от честота на електричното поле и температура на диелектрика.
Диелектриците биват:
Качествен неполярен - електропроводимост (γ), бързи поляризации
Качествен полярен - електропроводимост (γ), бавни поляризации
Зависимост на tgδ и загубите от чистотата (ω).
- Неполярен диелектрик
При неполярен диелектрик tgδ и загубите се определят
само от електропроводимостта, при което tgδ намалява
хиперболичен закон с нарастване на честотата, докато
загубите не зависят от честотата.
Анализа се прави при постоянна температура за да се
отрази влиянието само на честотата (при нарастване на
температурата ще нарасне и γ а от там и tgδ.
- Полярен диелектрик
При чистоти на външното поле до дисперсната зона (І
област) tgδ се обуславя само от електропроводимостта и
намалява по хиперболичен закон. С нарастване на
честотата в дисперсната зона се проявява съответната
бавна поляризация, в случая диполно-релаксационна
поляризация като tgδ нараства и достига максимум
резонансната честота след което tgδ намалява под
влияние на електропроводимостта, като е изчезнала
бавната поляризация тъй-като честотата на външното поле
е по-голяма от собствената честота на бавната
поляризация (ІІІ зона).
До края на дисперсната зона загубите (р) нарастват във квадрат от честотата на външното поле (І
област) като при честоти по-големи от дисперсната поляризацията не може да се осъществи.
Загубите не зависят от честотата и ефекта е както при електропроводимост.
11.2. tgδ и загубите (р) във функция от температурата.
При температурна зависимост на tgδ и загубите трябва да отчетем, че електропроводимостта γ
нараства с повишаване на температурата
 0et
(1)
15
и времеконстантата (τ) също нараства с повишаване на температурата
a
  A.eT
(2)
При неполярния диелектрик и tgδ и загубите (р) нарастват с
повишаване на температурата, тъй-като загубите се дължат
само на електропроводимостта.
Двете графики се различават само количествено.
Полярен диелектрик.
І зона
Със нарастване на температурата tgδ нараства по
експоненциален закон под влияние на
електропроводимостта.
ІІ зона
След което при температури съответстващи на
дисперсната зона tgδ нараства под влияние на бавната
поляризация като максимума в графиката на tgδ е изместен
на дясно спрямо резонансната честота, което се дължи на
изменението на електропроводимостта на бавната поляризация под влияние на температурата.
ІІІ зона
При температури по-големи от дисперсната зона бавната поляризация е изчезнала, tgδ се
определя само от електропроводимостта и затова нараства по експоненциален закон.
Загубите (р)
Графиката на загубите (р) повтаря в определен мащаб графиката на tgδ при промяна на
температурата с тази разлика, че максимума на загубите съвпада с температурата на която
съответства резонанса.
Електрическа якост при диелектриците.
При слабо поле определяме тока на проводимост
като токоносителите са основно йони получени от
външен източник а полето само ги насочва и
обуславя тока на проводимост, който зависи
линейно от интензитета на полето.
При силно поле когато Е>Екр във диелектрика
настъпват йонизационни процеси под действие на
електричното поле, в диелектрика се образуват
свободни електрони и йони под действие на
самото поле токът бързо нараства експоненциално и процесът завършва със загуба на
електрическа якост наречена пробив при твърди диелектрици и разряд при течни диелектрици,
диелектрикът загубва изолационните си свойства. Механизма на разряда и пробива е различен.
Пробив в твърди диелектрици.
16
При твърдите електрици има два дива пробив:
- електрически пробив
Настъпва при плавно повишаване на напрежението обикновено
при диелектрици с малка дебелина като канала на пробива по
който протича тока на късото съединение е в края на
електродите като измереното пробивно напрежение е
характеристика на самия изолационен материал.
- електро топлинен пробив
При него е нарушен топлинния баланс между получената в диелектрика топлина под действие на
електричните загуби и отделената топлинна енергия навън, като диелектрика се разрушава
топлинно. Канала на пробива се намира в центъра под електродите и по него протича тока на
късото съединение. Като Uпробивно е характеристика на цялата конструкция а не само на
диелектрика.
Под действие на приложеното напрежение в диелектрика се отделят загуби (1) като отделената
мощност се превръща в топлина и той започва да излъчва топлинна енергия навън.
2
P

.c

g

U
д
(1)
P

k
.s
(


)
B
0
(2)
Когато Рд = Рв имаме топлинен баланс и се установява (тита) θработно
Когато Рд > Рв имаме топлинен пробив.
θ0 - началната температура на околната среда.
В точка А е изпълнен топлинния баланс при което се
установява работна температура. Ако приемем, че отвън
допълнително загреем конструкцията, то системата излиза
от точка А и се установява температура θ’’, при която
температура отделената от диелектрика топлина чрез Рд е
много по-малка от излъчената навън. Системата се охлажда
и се връща в точка А, която е устойчива точка на работа.
При напрежения U>U2 в изолацията настъпва електротоплинен пробив тъй-като наляво и надясно от точка В отделената в диелектрика топлина е поголяма от излъчената навън, диелектрика прегрява и се разрушава.
За да определим Uпробивно


k
.S


0
U

пр
w
.C

tg

За да повишим напрежението при което настъпва електро топлинния пробив трябва да подобрим
условията на охлаждане което означава да изменим наклона на Рв.
Топлоустойчивост на диелектриците. Краткотрайна и дълготрайна топлоустойчивост.
Таблица по токоустойчивост.
Топлоустойчивост - способността на диелектрика да издържа както краткотрайно така и
продължително топлинно натоварване без да настъпят съществени изменения в свойствата на
диелектрика. Тя бива:
17
- Краткотрайна- Тя се определя с плавно повишение на температурата, при която температура
за органичните материали настъпва механична деформация.
При неорганичните материали това е температурата при която настъпва съществено изменение в
някой от характеристиките на диелектрика
- Продължителна - Тя се определя по така наречената „Температурна крива на живота”, която
дава връзката между дълготрайността и живота на изолацията (L) във функция от температурата
1
L
1 
T
Разглеждаме изолационна система произведена от завод и включено в някакво съоръжение.
Изолацията влиза в експлоатация (А) като в процеса
на работа на изолацията действат различни фактори
(Gi) като от значение е не толкова абсолютната
стойност на фактора а комбинацията от тях.
G1 - интензитет на полето
G2 - температура
G3 - влага (пример)
G4 - радиационна среда
G5 - химически агресивна среда и др.
Под действие на тези фактори в изолацията настъпват химични реакции, които водят до
постепенно влошаване на свойствата на диелектрика (деградация). След време в изолационната
система настъпва отказ (В).
Интервалът от време от включване на изолацията в експлоатация до първия отказ се нарича
живот (дълготрайност) на изолацията.
Връзката между дълготрайността (L) и температурата се нарича крива на живота.
 1
L 
T
θоС - определя дълготрайната топлоустойчивост (ТI)
ТI - (температурен индекс) Представлява максимално допустимата работна температура (θраб.доп)
и тя не трябва да се надвишава в работни условия. Температура в градус-целзий в която
температура се гарантира живот на изолацията L=2.104 часа.
По стойността на температурния индекс изолационните материали се подреждат в 7 класа на
топлоустойчивост, които образуват таблицата по топлоустойчивост.
Речник към таблицата:
Гетинакс - листове хартия (още плътна), разкроени с определен формат, двустранно лакирани с
бакелитов лак след което се пресоват при голяма температура и се получава монолитно тяло.
Водата разпоява гетинакса.
Текстолит - технология като при гетинакс, но с тъкани вместо хартия. Има по-голяма механична
якост
Стъклотекстолит -текстолит със стъклени влакна
18
Миканит - (дели се слюда и се получава цепена слюда) Цепена слюда се наслоява със
свързващо вещество върху подложка. Използва се в колектори на електрически машини, ютии и
др.
Микалекс - слюда на прах примесена с леснотопимо стъкло
От материалите от клас Y и клас С се правят производни материали с помощта на свързващо
вещество. То може да бъде:
- течен диелектрик (трансформаторно масло)
- лак (спиртен или воден разтвор на друг материал)
- смола (епоксидна, формалдехидна)
Приложение на електроизолационните материали.
Изолационните материали ще разглеждаме по агрегатно състояние като използваме следната
класификация:
1) газообразни диелектрици
въздух, азот, въглероден двуокис, водород, елегаз ;
2) течни диелектрици;
3) твърди диелектрици:
- органични полимери:
= естествени полимери
= синтетични полимери
-
неорганични полимери
-
Общо за газовете:
Газовете имат малка електрическа якост и там където е възможно работят под налягане. Имат
също малък tgδ и малък εr.
1) газообразни диелектрици
- въздух
За изолация на въздушни електропроводи със средно (20 kV) и високо напрежение (110 - 750 kV)
- въглероден двуокис (CO2) Използва се за гасене на пожари и като изолация на измервателни кондензатори за високо
напрежение.
- водород (H2) Използва се за охлаждане на големи турбогенератори и двигатели. Водорода под налягане
циркулира във затворена система в машината като се допуска изтичане на водород в
помещението (задължително с вентилация) в което се намира машината. Като охладител се
предпочита пред въздуха защото:
1) има по-голяма топлопроводимост
2) загубите от триене на въртящите се части (ротори) на електрическите машини са по-малки във
водородна среда отколкото във въздушна.
19
- азот (N)
Използва се за азотна възглавница в трансформатори. Азота не допуска влизане на въздух тъй
като въздуха съдържа кислород и ще окисли изолацията.
- елегаз (SF6) Този газ работи само под налягане. Използва се за изолация на кабели, кондензатори, така
наречените КРУ (Комплексно разпределително устройство) и на цели подстанции. Представител
на така наречените електроотрицателни газове които са с голяма електрическа якост защото:
1) имат голяма плътност;
2) голям размер на молекулата;
2) течни диелектрици;
Представител е течното масло, което се получава чрез фракционна дестилация на нефта и
специална обработка. По предназначение маслото бива три вида:
- трансформаторно масло
За изолация и охлаждане на силови трансформатори и за прекъсвачи.
- кондензаторно масло
Хартия + кондензаторно масло се използва за направа на кондензатори
- кабелно масло
хартия + кабелно масло се използва за кабел Неполярен диелектрик с много добри изолационни
свойства но в процеса на работа старее, влошава характеристиките си и се подлага на физическо
пречистване или на химическа преработка.
3) твърди диелектрици
- Органични полимери
- синтетични
Получават се чрез полимеризация или поликондензация като от мономер получаваме полимер,
който има голяма, дълга молекула и голямо молекулно тегло.
- естествени
Неполярни полимери.
εr около 2, с много добри електрични свойства и с малък tgΔ.
- полиетилен - качествен изолационен материал от клас Y по топлоустойчивост, водоустойчив,
използва се за изолация на кабели включително и във водна среда. Биват Термопластичен
полиетилен - 70 градуса и Химически омрежен полиетилен - 90 градуса
- полипропилен - Близък до полиетилена но има по-голяма топлоустойчивост (около 100 С) и
метализиран полипропилен се използва за направата на кондензатори
- полистирол - Малка топлоустойчивост, под действие на напрежение се напуква. От него се
изработва фолио наречено СТИРОФЛЕКС от което се правят стирофлексни кондензатори.
- тефлон (политетрафлоретилен) - Изключително качествен изолационен материал, голямо
съпротивление и обемно и повърхностно, водоустойчив, не се разтваря в киселини и основи,
работен интервал (-260 до +250 С). Използва се за изолация на проводници, различни кабели и
за направата на изолационни детайли
Полярни полимери
20
- полиамиди - Видлон, найлон, капрон, силон. Клас Y много голяма износоустойчивост и добри
свойства. Използва се за изолация на проводници, някои кабели и със пълнител се използва за
направата на зъбни колела, каски за мотори
- поливинилхлорид (PVC) - Полученият поливинилхлорид има малка топло и студоустойчивост и
затова се преработва със течни полимери наречени пластификатори. Може да бъде оцветяван.
Прилага се за изолация на кабели до 10 киловолта, за изолация на телефонни кабели, на кабели
за осветителна и инсталационна техника и за изработка на различни изделия в това число и за
бита.
- полиамиди - Изключително топлоустойчив материал клас С. Тънко фолио от него се нарича
КЕПТОН може да работи 10 години при 250 С и 3 месеца при 300 С. Механично много здрав и
устойчив на вибрации. Използва се там където е необходимо съчетание на голяма температура и
механична якост (космически кораби) а също така и като комбинация във вид на полиамидимид
за лакове.
- полиметилметакрилат (плексиглас) - Бял, прозрачен материал, пропуска ултравиолетовите
лъчи но няма добри изолационни свойства и се използва повече за конструктивни цели.
- фенолформалдехидни - Техен представител е бакелита. Използва се във вид на лак за
направата на гетинакс и текстолит и за изделия за осветителна и инсталационна техника
- епоксидни смоли - В изходно състояние има 2 съставки, които се съхраняват така до
приложението им, след което се смесват и така смесени след втвърдяване образуват компаунд.
По предназначение компаунда бива залепващ (свързване на два елемента), импрегниращ и за
потопяване на твърда изолация.
- Неорганични полимери.
- слюда - Изкопаем минерал който се среща във форма на МУСКОВИТ (бял цвят) и ФЛОГОВИТ
(бял и червен цвят). Изключително качествен материал, топло устойчив, неполярен, с голяма
стойност на εr тъй като има електронна и йонна поляризация. Използва се за направа на слюдени
кондензатори. Цепена слюда + Свързващо вещество = Миканити. Миканитите биват:
колекторен, формовъчен, гъвкав, дистанционен, др.
- стъкло -Смес от различни окиси, които определят свойствата му. Основно силициев двуокис
(SiO2), калиев окис (КО), натриев окис (NaO), калциев окис(CaO), двуфосфорен петокис (P2O5)
В зависимост от състава си стъклата биват:
силикатно - само от силициев двуокис (най-качественото стъкло) εr около 3. Използва се във
вакуумната техника и за отговорни детайли. Има голяма температура на топене.
Към силикатното стъкло се прибавят окиси на калия и натрия и се получава алкално стъкло с
много добра технологичност но със занижени електрически характеристики.
Към алкалното стъкло се прибавят окиси на тежки метали и се получава стъкло с много добри
изолационни свойства. Използва се за изолатори за високо напрежение.
стъклени влакна - използват се за направа на различни лакотъкани, стъклотекстури, оптични
влакна
- керамика - Формовъчен материал от неорганичен състав от който чрез формоване се изработва
изделие след което се изпича.
Представители:
порцелан - Той се покрива със стъклоподобна маса наречена глазура. Има добри изолационни
свойства, голяма механична якост особено при натиск но се напуква под действие на
21
електрическа дъга. Използва се за изолатори за различно номинално напрежение и различна
конфигурация.
- стеатит
- високочестотен порцелан
- ултрапорцелан
- кордиерит
Изисквания при изпитването на електроизолационни материали
Електроизолационните материали трябва да притежават определени качества-електрически и
други характеристики с нормирани числени стойности.Тези нормирани стойности са
задължителни за производителя .Потребителят може да иска материали с по-добри качества
само по индивидуално споразумение (включително и за цената)и взаимно съгласие с
производителя.Производителят обаче може да произвежда материали с по-добри качества от
нормалните .Повечето водещи предприятия произвидители в световен мащаб постъпват така.
Юридическа форма на тези задължения е държавният стандарт .Той има сила в национален
мащаб .С нарастване на международния обмен се появи тенденция за уеднаквяване на
националните стандарти на определени страни.Международното производствено
специализиране и коопериране създаде необходимост юридическата сила на стандартта да
надхвърли държавните граници.Например създадоха се стандарти,задължителни за всички
страни,членки на Съвета на икономическата взаимопомощ.
Международната електротехническа комисия (МЕК) разработва нормативни документи,валидни
за цял свят като препоръка.Процесът на международният обмен създава достатъчна
заинтересованост на практика тези препоръки да се възприемат от отделните страни при
разработването на техните национални стандарти.
Ако за производството на даден електротехнически материал или изделие още не е разработен
стандарт,например при започване на ново производство ,производителят разработва Отраслова
техническа нормала със задължителна сила за група предприятия към дадено ведомство.По
структора и съдържание такава нормала не се различава от стандарт.
По отношение на електротехническите материали стандартите са два вида:
1. Стандарти ,които определят характеристиките на конкретен електротехнически
материал.Наричат се още частни стандарти.Например такъв стандарт е БДС 1137773”Материали пресувани слоести.Стъклотекстолит на плочи .”
2. Стандарти,които определят методиката за изпитване на голяма група материали.Наричат се
още общи стандарти-например БДС 6727-83”Материали електроизолационни твърди.Методи за
определяне диелектричната проницаемост и тангенса от ъгъла на диелектричните загуби”.
3. Стандартите от първият вид задължават производителят да извършва два вида изпитания
за проверка на качеството на материалите: типови и контролни.
Типовото изпитване има за цел да установи цялостно характеристиките на даден
материал.То е голямо по обем на измерваните показатели,извършва се върху малък обем
продукция периодично в интервали,посочени в съответния стандарт,или когаро
производителят направи промяна в основните изходни материали или технологията на
производството.
22
Контролно изпитване проверява дали технологичният процес осигурява стабилни
характеристики на материала.Измерват се малко на брой характеристики,но много по-често
във времето и върху много по-голяма част от произвежданата продукция.Някои
производители измерват определени показатели за цялата произвеждана продукция.Срокът и
обемът на контролните изпитвания за всеки материал са посочени в съответният
стандарт.
ОБРАЗЦИ И ЕЛЕКТРОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ
Съгласно предписанията на БДС 6727-83 и БДС 6728-82 изпитните образци от твърд
изолационен материал трябва да имат проста форма ,която да позволява точно да бъдат
пресметнати геометричните размери .
Дебелината на изпитния образец се определя като средноаритметична стойност от измерванията
в пет точки, разположени под измервателния електрод. Грешката при измерването не трябва да
превишава + (1% +0.002mm).
Мого важна част от изсмерванията е избора на електроди.Съгласно БДС-6727-83 и БДС 6728-82
електродите за изпитване на твърди диелектрици трябва да осигуряват добър контакт с
повърхността на чистият образец.
З
а определяне на ρv и ρs и на ε r и tgδ при ниски честоти стандартите предписват триелектронна
система.Тя се състои от измервателен електрод,за подаване на напрежение и защитен
електрод.(Фиг.1.2)
31
2
d2
d1
Фиг.1.1Елекртоди за измерване
При всички измервания електрод 1 е измервателен .При измерването на ρv , ε r и tgδ ,електродът
2 е за подаване на подаване на напрежение ,а защитния електрод е 3.При измерването на
ρs електродът 3 е за подаване на напрежение ,а 2-защитен.
Диаметърът на измервателния електрод d се избира 25;50,75,100mm.Най-често се използва
пръстеновиден електрод с широчина 10mm.Междината между пръстеновидният и измервателния
електрод трябва да бъде 1mm- ρv или повече при измерване на ρs и на ε r и tgδ .Диаметърът на
електрод 2 трябва да бъде не по-малък от външният диаметър на пръстеновидният електрод.
Грешката при измерването на електродите не трябва да бъде по-голяма от +-(1%+0.1mm).
23
Електродите без защитен пръстен се прилагат за определяне на ε r и tgδ при честота над 10kHz и
където прилаганите методи не позволяват пресъединяване на защитен електрод .При
изчисляване ε r tgδ е необходимо да се вземат предвид краевият и паразитният капацитет по
формули,дадени в БДС 6727-83.Диаметърът на измервания електрод се избира също както при
триелектродната система .
Материалът, от който са изработени електродите,трябва да имат висока проводимост и може да
бъде най-различен в зависимост от вида на изпитвания материал.В БДС 6727 -83 и БДС 6728-82
са описани видовете електроди .
Маталите плътни електроди трябва да се притискат към образеца с налягане 10 kPa.Електродите
от метално фолио с дебелина 5- 20μm.се залепват към изпитвания обект с тънак слой
масло,технически възелен или топлопроводящо лепило.Те не
трябва да се използват за измерване на повърхносни
съпротивления .
Течните диелектрици се изпитват съгласно с предписаната БДС
2323-83.Изпитвания диелектрик се навива в специално
измервателно устройство.Неговата конструкция трябва да
позволява лесно разглобяване и почистване.
На Фиг 1.2 и 1.3 са показани конструкциите на две измервателни
устройства ,предписани от БДС 2323-83 .
На Фиг .1.2 с 1 е означен измервателния електрод ,с 2 –електродът на показване на напрежение
,с 3 – защитният електрод , 4 и 5 са пристени от твърд изолационен материал.
На Фиг 1.3 1 е измервателния електрод ,2-електродът за подаване на напрежение ,3 –пръстен от
изолационен материал.Междината между измервателния електрод и електродът за подаване на
напрежение при триелектродното устройство е (2,0+-0,1)mm,а
преи двуелектродното --(1,0+-0,1) mm.
Особедно внимание трябва да се обърне на вземането на проба
от измервания диелектрик.начинът за това е посочен
стандартизационните документи за съответните
диелектрици.пробата от диелектрика се пренася и съхранява в
плътно затворен съд.Преди отваряне на съда тои трябва да бъде
държан в помещението,в което ще се извършват
изпитванията,достатъчно дълго време ,за да се изравнят
температурите на течният диелектрид и помещението.
Преди измерване измервателното устройство трябва да бъде
напълно демонтирано и всички негови детаили да бъдат добре
измити с разтворител,измити и изварени с дестилирана
вода,изсушени в термостат.
Измарвателното устройство непосредствено преди измерването се изплааква с изследвания
течен диелектрид.След това диелектрикът се излива и устройството се пълни с диелектрика,с
които се извършва измерването.
УСЛОВИЯ ЗА ОКОЛНАТА СРЕДА
ОСНОВНИТЕ ЕЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ СВОЙСТВА НА ДИЕЛЕКТРИЦИТЕ МНОГО СИЛНО
ЗАВИСЯТ ОТ ТЕМПЕРАТУРАТА,ВЛАГАТА И ДРУГИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ОКОЛНАТА
СРЕДА.ПРАВИЛНИ РЕЗУЛТАТИ ОТ ИЗМЕРВАНИЯТА МОГАТ ДА СЕ ПОЛУЧАТ САМО АКО
24
ТОЧНО СЕ СПАЗВАТ НОРМИРАНИТЕ УСЛОВИЯ НА ОКОЛНАТА СРЕДА ПРИ ПОДГОТОВКА И
ИЗПИТВАНЕ НА ОБРАЗЦИТЕ.
БДС 5948-81 определя условията на околната среда като съчетание от определена температура
и относителна влажност на въздуха.
Съгласнно със същия стандарт преди изпитване образците трябва да бъдат подложени на
предварителна подготовка-нормалозиране и кондициониране.Нормирането има за цел да
отстрани или поне частично да намали влиянието на предишни вездействия.Кондиционирането
представлява престояване на образците в породължение на определено време при определени
условия на околната среда с цел да се установи еднаква влажност и температура в целия обем
на изпитвания обект.
По време на измерването образците се намират при определени условина на околната средаизпитателни.Те могат да бъдат еднакви или различни от условията при кондициониране.
Сегласно със стандарта нормализирането не трябва да се извършва,ако поради специфични
свойства на материала то не оказва влияние на неговите основни показатели.В случей че
условията на околната среда при нормализиране не са посочено стандартизационните
документи,образците трябва да предстоят при определена температура (50+-2) C и относителна
влажност на въздуха не повече от 20% -24часа.Ако условията при нармализиране и
кондициониране са еднакви,двата вида подготовка на образците се провежда едновременно.
Кондиционирането и извикването на образците от твърд електроизолационен материал може да
бъде извършено и в течна среда.Течността, в която се потапят образците,трябва да бъде
посочена в съответните стандартизационни документи.
БДС 5848-81 предписва условията на околната среда да се записват по следния начин:
A,h/B, C/C, %,
Където А –времето в часове ;
B-температурата в C;
C-относителната влажност на въздуха в %
Първо се записват условията за нормализиране ,поставя се знак “+” и се записват условията за
кондициониране.След това се поставят знак “;” и буквата “М” и се записват условията на
изпитване.
Например 16h /55 C/ <20% +24h/20C /65%;M20C /65% означава,че изпитваният материал трябва
да бъде нормализиран в продължение на 16 часа при темперетура 55 С и относителна влажност
на околната среда ,по-малка от 20% ,след това кондиционоран в продължение на 24 часа при
температура 20 С и относителна влажност на околната среда 65 % ,след което да бъде
извършено измерване при същите условия.Понякога се предписва измерване при условия на
стайна среда БДС 5948-81 дефинира тези условия:
h/(15до 34)С (45 до 75 )% .
Ако стандартизационните документи на съответния материал не е посочено друго БДС 6727-83 и
БДС 6728-82 предписват при измерване на съпротивлението ,относителната диелектрична
проницаемост и тенгенса от ъгъла на диелектричните загуби да се извършва само
нормализиране при усливия 24 h /(50+-2) С /<20% ,а измерването да се извърши при М (15 до 35
)С/(45 до 75 )%.метод.
25
http://energia.elmedia.net/
https://muzruno.ru/
https://studylib.ru/
https://bg.birmiss.com
https://ee.tu-varna.bg/
26