|
Читайте также: |
Основной частью пластмасс являются полимеры – высокомолекулярные соединения. В состав пластмасс кроме полисеров могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители, порообразователи и другие добавки. Полимеры имеют большую молекулярную массу и состоят из мономеров. Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. Поликонденсация – реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ. Полимеры делят на линейные и пространственные.
^ Термопластичные полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают, при этом не происходит никаких химических реакций и процесс неоднократно обратим.
^ Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании образуют пространственную структуру макромолекул и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.
^ Линейные неполярные полимеры характеризуются малыми диэлектрическими потерями, применяются как электроизоляционные материалы в электротехнике и радиоэлектронике. К ним относятся: полиэтилен 
, полистирол 
, полиизобутилен 
, полипропилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4) 
, имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.
^ Линейные полярные полимеры по сравнению с неполярными обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (ε = 3…6) и диэлектричесими потерями (tgδ = (1…6)10-2 на частоте 1МГц). Такие свойства объясняются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид 
, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) 
, полиамидные смолы.
^ Полимеры, получаемые поликонденсацией по типу связующего вещества пластмассы подразделяются на феноло-формальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные. Феноло-формальдегидные смолы это продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. В зависимости от условий проведения поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными (при избытке фенола), или термореактивные, называемые резольными (при избытке формальдегида). Новолачные смолы применяются для производства лаков и пресс-порошков для изготовления электрической изоляции. Резит (бакелит в стадии С) используется при изготовлении слоистых пластиков (гетинакса и текстолита).
Термореактивные полиэфирные смолы (глифталевые) применяются для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов. Термопластичный полимер, получаемый из этиленгликоля и терефталевой кислоты (лавсан) применяется при производстве конденсаторов и в качестве пазовой изоляции в электрических машинах, по диэлектрическим показателям относится к слабополярным диэлектрикам.
Эпоксидные полимеры используются в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов, они обладают хорошей адгезией практически ко всем конструкционным материалам.
Кремнийорганические полимеры могут быть получены в виде эластичных смол, твердых тел и жидких диэлектриков. Практически не смачиваются водой, используются для придания водоотталкивающих свойств пластмассам, керамике и другим материалам.
Полиимиды относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров, применяются для изготовления пленок, лаков, нагревостойких волокон.
Композиционные материалы получают в процессе горячего прессования бумаги, ткани или стеклоткани, пропитанных термореактивной смолой. В зависимости от наполнителя называются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Используются для изготовления печатных плат и других электроизоляционных изделий.
Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.
Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.
16 От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы коммутационного аппарата. К этим материалам предъявляются следующие основные требования: они должны обладать высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, быть устойчивыми против коррозии и иметь токопроводящую окисную пленку, быть дугостойкими, т.е. иметь высокую температуру плавления и испарения, быть твердыми, механически прочными и легко поддаваться механической обработке, иметь невысокую стоимость. Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.
Для контактных соединений применяются следующие материалы.
Медь. Удовлетворяет почти всем выше перечисленным требованиям, за исключением. коррозионностойкости. Окислы меди имеют низкую проводимость. Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей. Медь может использоваться и для дугогасительных контактов.
При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медных контактов не рекомендуется
Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро применяется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок — вся деталь выполняется из меди или другого материала, а на рабочей поверхности контакта приваривается серебряная накладка.
Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшей проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую окисную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью. Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится.
Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.
Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых напряжениях. Платина и золото не образуют окисных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление.
Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам-молибден, вольфрам-платина, вольфрам - платина-иридий и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.
Металлокерамика — механическая смесь двух почти не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью. Наиболее распространенными композициями металлокерамики является: серебро-вольфрам, серебро-молибден, серебро-никель, серебро-окись кадмия, серебро-графит, серебро-графит-никель, медь-вольфрам, медь-молибден, и др. Применяется металлокерамика в качестве дугогасительтных контактов (композиции с серебром в основном для переменного тока) на средние и большие отключаемые токи, а также как главные контакты на номинальные токи до 600 А.
Материалы, применяемые в аппаратостроении, могут быть разбиты на следующие группы:
17 Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е0-Е1.
4.6. классификация диэлектриков
По выполняемым функциям диэлектрики можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы
(пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 4.5).
Электроизоляционные материалы используют для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Рис. 4.5. Классификация диэлектриков
Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения ёмкости, а в некоторых случаях обеспечивает определённый характер зависимости этой ёмкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (ёмкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т.д.
Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (например, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие плёнки). Тем не менее требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционного материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электрической схеме.
Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 4.5 управляемые диэлектрики, в свою очередь, подразделены по принципу управления.
В дальнейшем классификация материалов осуществлена на основе особенностей строения их в тех состояниях, в которых их применяют на практике, а следовательно, на основе особенностей их свойств. К таким особенностям относятся: инертная высокополимерная структура пластичных в технологии материалов – пластмасс, высокоэластичное состояние других полимерных материалов – эластомеров (каучуков), волокнистое строение, монокристалличность, поликристалличность, стеклообразное состояние или многофазность. Из-за разнообразия применяемых на практике диэлектриков, различия их свойств и некоторых, исторически сложившихся традиций подразделения материалов такую классификацию не всегда удаётся строго выдерживать.
|
Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.
В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.
Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой; для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса (см. рис. далее).
Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.
Полярные (дипольные) диэлектрики — это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической
Эквивале́нтная схе́ма (схема замещения, эквивалентная схема замещения) — электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов.
Одной из основных задач электроники является расчет электрических схем, то есть получение детальной количественной информации о процессах, происходящих в этой схеме. Однако рассчитать произвольную схему, состоящую из реальных электронных компонент, практически невозможно. Мешает расчету то обстоятельство, что попросту не существует методик математического описания поведения реальных электронных компонент (например, транзистора) как единого целого. Имеются значения отдельных параметров и экспериментально снятые зависимости, но связать их в единую точную формулу, полностью описывающую поведение компоненты, в большинстве случаев не представляется возможным.
С другой стороны, исключительно простым математическим аппаратом описываются идеализированные базовые элементы электронных схем (например, идеальный резистор). Однако они не существуют в реальном мире. Так, любой резистор имеет множество паразитных параметров: индуктивность, емкость, температурные зависимости и т.п.
Введение понятия эквивалентная схема позволяет «связать» мир реальных компонент и мир их идеальных приближений. Эквивалентная схема представляет собой цепь только из идеальных компонент, которая функционирует примерно также, как и исходная схема. В эквивалентной схеме могут быть отражены, при необходимости, различные паразитные эффекты: утечки, внутренние сопротивления и т.д. Эквивалентная схема может составляться как для одного элемента, так и для сложной цепи.
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений, которые определяют значение 
(рис. 1.2).
При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции.
В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.
Углом диэлектрических потерь 
называют угол, дополняющий до 
угол сдвига фаз 
между током и напряжением в емкостной цепи.
В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол ; при этом угол равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектрических потерь и значение функции 
.
Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.
Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, выделяемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.
Поставленную задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема) или конденсатором с последовательно включенным сопротивлением (последовательная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не дают объяснения механизма диэлектрических потерь и введены только условно [2].
Параллельная и последовательная эквивалентные схемы представлены на рис. 2.1. Там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений 
равны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.
Рис. 2.1. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них
Для параллельной схемы из векторной диаграммы:
 ;
| (2.1) |
 .
| (2.2) |
Для последовательной схемы:
 ,
| (2.3) |
 .
| (2.4) |
Приравнивая выражения (2.2) и (2.4), а также (2.1) и (2.3), найдем соотношения между 
и между 
:
 ,
| (2.5) |
 .
|
Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением 
по сравнению с единицей в формуле (2.5) и считать 
. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы для обеих схем:
 ,
| (2.6) |
где 
выражено в Вт; 
.
Следует отметить, что при переменном напряжении в отличие от постоянного емкость диэлектрика с большими потерями становится условной величиной и зависит от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условна.
Для большинства диэлектриков параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив каким-либо методом значения емкости и эквивалентного сопротивления для данного конденсатора при некоторой частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла потерь на других частотах. Такой расчет справедлив только в отдельных случаях, когда эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, если для данного диэлектрика известно, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне, по формуле (2.1). Потери в таком конденсаторе определяются выражением:
 .
|
Если же потери в конденсаторе обусловлены главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок), например, тонким слоем серебра в слюдяном или керамическом конденсаторе, рассеиваемая мощность в нем возрастет с частотой пропорционально квадрату частоты:
 .
| (2.7) |
Из выражения (2.7) можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.
В большинстве случаев механизм потерь в конденсаторе сложный и его нельзя свести только к потерям от сквозной электропроводности или к потерям в контакте. Поэтому параметры конденсатора необходимо определять при той частоте, при которой он будет использован.
Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:
 .
| (2.8) |
где 
– объем диэлектрика между плоскими электродами, 
, 
– напряженность электрического поля, 
.
Произведение 
называют коэффициентом диэлектрических потерь.
Из выражения (2.8) следует, что при заданных частоте и напряженности электрического поля удельные диэлектрические потери в материале пропорциональны коэффициенту потерь.
В электродинамике при описании взаимодействия электромагнитного поля с веществом часто используют величину, называемую комплексной диэлектрической проницаемостью:
 .
| (2.9) |
Чтобы уяснить это понятие, воспользуемся одним из фундаментальных уравнений электродинамики (первым уравнением Максвелла), устанавливающим связь между изменениями электрического и магнитного полей:
 .
| (2.10) |
Приведенное уравнение подтверждает тот факт, что магнитное поле отлично от нуля как при перемещении электрических зарядов (т. е. при наличии тока сквозной электропроводности через вещество), так и при изменении напряженности электрического поля во времени (т. е. при наличии тока смещения).
В однородных идеальных диэлектриках сквозной ток отсутствует, т. е. 
. Для случая гармонического изменения поля уравнение (2.10) можно записать в комплексной форме:
 .
|
Если же имеем дело с несовершенным диэлектриком, обладающим заметными диэлектрическими потерями, то уравнение полного тока приобретает более сложный вид:
 ,
| (2.11) |
где 
– полная удельная активная проводимость на данной частоте, учитывающая как сквозную электропроводность, так и активные составляющие поляризационных токов.
Задачу о распространении электромагнитного поля в частично проводящей среде можно свести к случаю идеального диэлектрика, если в уравнение (2.11) ввести комплексную диэлектрическую проницаемость:
 ,
|
где
 .
| (2.12) |
Из сопоставления (2.9) и (2.12) следует, что действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости 
, а мнимая 
.
Ранее было показано, что есть отношение активной составляющей проводимости к емкостной составляющей (рис. 2.1, а). Поэтому для плоского конденсатора при данной частоте справедливо соотношение:
 .
|
Из выражений (2.6) и (2.8) ясно, что диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте.
Материалы, предназначенные для применения в указанных условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости, так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может достигнуть недопустимо больших значений.
Большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.
Если диэлектрик используется в колебательном контуре, то диэлектрические потери препятствуют достижению высокой добротности (острой настройки на резонанс), так как с увеличением эквивалентного сопротивления потерь усиливается затухание колебаний в контуре.
Пробивное напряжение является важнейшим показателем качества трансформаторного масла, которое характеризует способность жидкого диэлектрика выдерживать электрическое напряжение без пробоя, т.е. определяет безаварийную работу всей системы изоляции оборудования. Определение значений пробивного напряжения по ГОСТ 6581-75 зависит от температуры испытуемого масла. В протоколе следует указывать температуру масла при данном испытании, и при прочих равных условиях результаты следует считать сопоставимыми, если разность температур при определении не превышает 2°С. Чем выше рабочее напряжение трансформатора, тем большей величиной должна быть электрическая прочность масла. Величина электрической прочности показывает степень увлажнения масла. Например: ничтожно малое количество воды резко снижает пробивное напряжение масла и делает его непригодным для работы в энергетических аппаратах.
Влияние напряженности электрического поля Е на скорость окисления масла марки Т-1500 при 95°С: 1 -- Н=2,5МВ/м (в герметичном сосуде без масла); 2 - Е=2,5 МВ/м;-3 - Е=0; 4 - Е=3,5 МВ/м; 5 - Е=5,0 МВ/м; 6 - содержание ионола в масле после 720 ч окисления
Наличие воды в (%) в масле соответствует пробивному напряжению (кВ): 0,03-10 кВ 0,0075 -20 кВ 0,00025 - 30к В, отсутствие - свыше 40 кВ.
Электрическая прочность снижается за счет присутствия в масле механических примесей, в том числе мельчайших волокнистых веществ, незаметных при обычном освещении, они образуют проводящие мостики между электродами сосуда-разрядника и служат причиной резкого спада электрической прочности масла. На пробивное напряжение масла также влияет скорость движения масла. В мощных силовых трансформаторах, как известно, применяют принудительное охлаждение масла с помощью масляных насосов. Так, при возрастании скорости масла до 1 м/с пробивное напряжение уменьшается на 10%. Возможно уменьшение пробивного напряжения на 20% при скорости 15-20 см/с для старого масла та трансформатора, находившегося в эксплуатации.
Снижение температуры масла в пределах +20 до -5°С при переменном и постоянном напряжении приводит к уменьшению Е„р масла, а дальнейшее снижение ее от -5 до -45°С вызывает рост Епр. Это объясняется различным агрегатным состоянием воды в масле, образованием кристаллов льда и ростом вязкости масла. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры приведена на рис.
Схема установки для определения пробивного напряжения масла
Аппарат для испытания пробивного напряжения представляет собой подвижную тумбочку (см. рис. 4), в нижней части которой находится повышающий трансформатор мощностью 3 кВА. Трансформатор питается от осветительной сети переменного тока. В верхней части аппарата помещается фарфоровый сосуд для заливки испытуемого масла. В сосуде- разряднике находятся латунные электроды (плоские параллельные диски с закругленными краями диаметром 25 мм), присоединённые к выводам обмотки высокого напряжения трансформатора. Расстояние между плоскостями электродов должно быть равно 2,5 мм. Напряжение, подаваемое на электроды от трансформатора, может постепенно повышаться до 80 кВ. Пробой отмечается по образованию дуги между электродами в виде яркой искры- вспышки, отключению высокого напряжения и спаданию на нуль стрелки вольтметра.
Испытание производится плавным подъемом напряжения с нуля до пробоя со скоростью 2-5 кВ в 1 с.
Для одной пробы при плавном подъеме напряжения должно производиться шесть пробоев. После каждого пробоя из промежутка между электродами посредством стеклянного или металлического стержня должны быть удалены обуглероженные частицы испытываемой жидкости. После этого жидкость должна отстояться в течение 10 мин. Пробивное напряжение определяется как среднее арифметическое пяти последних пробоев.
Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры при постоянном и переменном напряжениях, электроды- диски 25 мм с закругленными краями, расстояние 2,5 мм. При постоянном напряжении: I - масло ТКп, содержащее 0,002% (мае.) воды; 2 - масло Т-1500, содержащее 0,004% (мас.) воды; при переменном напряжении; 3 - масло ТКп; 4 - масло Т-1500.
При приближении пробивного напряжения к предельно допустимому значению следует определить количественное влагосодержание масла. Влагосодержание также позволяет определить причину ухудшения характеристик твердой изоляции.
Определение значений пробивного напряжения зависит от температуры испытуемого масла. Чем выше рабочее напряжение трансформатора, тем большей величины должна быть электрическая прочность масла. Электрическая прочность масла чрезвычайно чувствительна к его увлажнению. Весьма малая примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где, собственно, и начинается развитие пробоя. Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси.
Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает диэлектрическая проницаемость смеси. Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.
Изменения давления, формы и материала электродов и расстояния между ними влияют на электрическую прочность. В то же время эти факторы не влияют на проводимость жидкости.
Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливке в недостаточно просушенную тару и т.п.
Чистое трансформаторное масло, свободное от воды и других примесей, независимо от его химического состава обладает высокой, достаточной для практики электрической прочностью (более 210 кВ/см), определяемой в плоских медных электродах с закругленными краями и расстоянием между ними 2,5 мм. Повышение электрической прочности с увеличением температуры от 0 до 70°С связывают с удалением из масла влаги, переходом ее из эмульсионного состояния в растворенное и уменьшением вязкости масла.
Растворенные газы играют большую роль в процессе пробоя. Еще при напряженности электрического поля, более низкой, чем пробивная, отмечается образование на электродах пузырьков. С понижением давления для недегазированного масла прочность его падает. Однако в случаях тщательно дегазированной жидкости пробивное напряжение вовсе не зависит от давления.
Если диэлектрик поместить между электродами и подвести к ним постепенно повышаемое напряжение, то при достаточно высокой напряженности электрического поля сила тока через диэлектрик начинает расти быстрее, чем напряжение, сопротивление диэлектрика резко уменьшается.
При некотором значении напряжения наступает пробой диэлектрика — потеря им диэлектрических свойств.
Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующая напряженность поля, равная в однородном поле отношению пробивного напряжения к толщине диэлектрика, пробивной напряженностью электрического поля.
Существенное значение при пробое имеет характер электрического поля. В однородном поле, получаемом в образце, имеющем полусферические выемки – электроды, пробивное напряжение возрастает пропорционально толщине диэлектрика. Пробой в этом случае характеризует истинную диэлектрическую прочность вещества.
У краев простых плоских электродов всегда появляются большие неоднородные поля. Пробивные напряжения в таком неоднородном поле имеют менее высокие значения в сравнении с однородным, и это снижение растет с толщиной образца.
Степень однородности поля повышается с ростом проводимости и диэлектрической проницаемости среды, окружающей диэлектрик, а также зависит от кривизны кромки электродов.
Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 953 | Нарушение авторских прав