IV. 1.6.1. Втрати в газах.

При напруженостях поля, що лежать нижче значення, необхідного для розвитку ударної іонізації втрати в газах настільки малі, що можна в цих умовах вважати газ ідеальним діелектриком.

Джерелом втрат в газі може бути в основному електропровідність. Значення тангенса куту втрат може бути обчислене по формулі:

rv=10¹⁶ (Om_*m); tgd=4*10^-8.

При високих напругах, в неоднорідних полях, в окремих місцях молекули газу іонізуються внаслідок чого виникають втрати на іонізацію:

Де: А - постійний коефіцієнт для даного газу;

f - частота доданої напруги;

U - величина доданої напруги;

Uи - напруга відповідна початку іонізації в газі.

Іонізація зростає при зростанні параметрів: ^ U; P; f. Виникнення іонізації газу, що заповнить пори в твердій ізоляції, нерідко призводить до її руйнування.

IV.1.6.2. Втрати в рідині.

Якщо неполярна рідина не містить домішки з дипольними молекулами, то втратами може бути електропровідність (конденсаторне мастило).

Полярні рідини в залежності від t, f, можуть володіти помітними втратами, зв'язаними з дипольно-релаксаційною поляризацією:

1. В в’язких рідинах переважають втрати на електропровідність;

2. В малов'язких рідинах менш втрат на електропровідність;

3. На радіочастотах ці втрати в мало в’язкому середовищі великі і переважають втрати на електропровідність => ТОМУ ПОЛЯРНІ РІДИНИ В РАДІОЧАСТОТАХ НЕ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ.

IV.1.6.3. Втрати в твердих діелектриках.

В твердих діелектриках можуть виникати всі види втрат.

1. Речовини c молекулярною структурою - втрати залежать від виду молекул:

§ неполярна структура не що містить домішок має дуже малі втрати (сірка, чавун, поліетилен; фторопласт і т. ін.);

§ полярна структура - взагалі органічні речовини володіють дипольно-релаксаційною поляризацією і мають більші втрати (лавсан; капрон; гетинакс, і т. ін.);

2. Речовини c іонною структурою - втрати залежать від виду упаковки іонів в решітці:

§ кришталева структура з щільною упаковкою і відсутністю домішок має втрати на електропровідність при підвищених температурах (кераміки; корунд; кам'яна сіль і т. ін.);

§ кришталева структура з нещільним пакуванням - ряд речовин з релаксаційною поляризацією (компоненти речовин що входять в склад кераміки і порцеляни);

3. Квазіаморфні речовини з іонною структурою - іони слабо зв’язані і вчиняють перескоки з одного осередку просторової структурної сітки в іншу, їх потенційні бар'єри обмежені. Рухи слабо зв’язаних іонів неоднакові внаслідок локальної неоднорідності матеріалу. Тому втрати в них визначаються часом релаксаційних процесів. При високих f виникають резонансні втрати (органічне скло).

IV.1.7. Пробій в газі, іонізаційний процес.

Пробій - явище утворення струмоведучого каналу в діелектрику під чинністю електричного поля. Мінімальна напруга, яка додана до діелектрика і приводить його до пробивання-> пробивна напруга Uпр. Електрична тривкість - мінімальна напруженість однорідного електричного поля яка приводить до пробивання діелектрику:

h - товщина діелектрика.

Механізм пробою: невелика кількість (+) і (-) частинок при впливі поля починають рухатись до електродів в залежності від знаку. При цьому частинка набуває енергії:

Якщо поле достатньо однорідно то:

а енергія достатньо велика, то відбувається збудження атомів і, в наслідок зіткнення, (-) електрон в атомі, переходить на більш подальшу орбіту, витрачуючи отриману енергію, а після цього вертається на своє місце. В цей момент схвильована частинка віддає отриману енергію в виді ФОТОНУ, яку може поглинуть інший атом або молекула і іонізуватися.

Така фотонна іонізація приводить до утворення газового проміжку з підвищеною провідністю (СТРИМЕРА). СТРИМЕР - іонізовані електронами лавиноподібні обсяги. Утворені фотони випереджають лавину і іонізують частинки газу, з утворенням нової лавину і. т.д. ін.. В кінцевому підсумку лавини зливаються утворюючи суцільний канал іонізованого газу, який перетворює зону в газорозрядну ПЛАЗМУ.

[При насиченні простору іонами => 10¹² йонів/см³ з’являється фотонна іонізація, електрони притягаються до (+) зарядам простору в головну частину позитивного стримеру. На шляху стримеру концентрація позитивних іонів зростає. Насичення електронами простору, яке заповнено (+) зарядами, перетворює цю область в провідну газорозрядну плазму. заповнений іонами перетворює зону в газорозрядну ПЛАЗМУ. Під впливом ударів (+) іонів по катоду, з нього вилучаються електрони, які допомагають пробою.]

IV.1.7.1. Пробій газу в однорідному полі.

Можливо отримання між площинами електродів, а також сферами, якщо відстань між ними не більш їхнього діаметру. Нормальні умови: Епр=3.2 МВ/м при h=1см.

- При малих відстанях електрична тривкість збільшується, що пояснюється трудністю формування розряду.

Якщо Р­тиск газу зростає, то зростає електрична тривкість Епр­ => тому, що зменшується довжина вільного пробігу електрона. При дуже сильному розрядженні газу P¯ електрична тривкість також росте Епр­ => тому що зменшується число молекул газу в обсязі (немає вільних частинок).

- При постійному струмі і низькочастотному змінному струмі Uпр напруга пробивання майже однакова, однак при частотах понад: >>­f=5*10⁶ Гц імовірність пробивання зростає в 1.5 рази на змінному струмі у порівнянні з постійним. Це пояснюється викривленням поля і утворенням об’ємистих зарядів [при звичайних умовах об’ємисті заряди встигають розчинитись, а при високій частоті не встигають].

IV.1.7.2. Пробій газу в неоднорідному полі.

Його особливість - виникнення часткового розряду в виді корони, в місцях поля з Hmax. При ­U збільшенні напруги корона переходить в ІСКРОВИЙ РОЗРЯД і ДУГУ.

При імпульсній чинності напруги тонкі плівки володіють поверхневою тривкістю: Епр=10⁸ КВ/м

IV.1.8. Пробій в твердих діелектриках.

Розрізняють наступні видів пробою: Електричний; Термальний; Електрохімічний. В залежності від стану матеріалу ці пробої можуть минати як по поверхні, так і в середині діелектрика.

IV.1.8.1. Електричний пробій в твердих діелектриках.

Минає в течії t=10^-8 c, без виділення термальний енергії-> це чисто електронний процес, коли з декількох електронів виникає лавина. Електрони передають свою енергію вузлам структури діелектрика і руйнують її аж до розчинення. В розрядному каналі створюється значний тиск, що руйнує ізолятор. Електричне пробивання має місце коли виключений вплив електропровідності і діелектричних втрат (нагрівання матеріалу), а також іонізація газових включень.

Даний вид пробивання спостерігається в: монокристалах різноманітних окислів; лужно-галоїдних сполученнях; органічних полімерах.

IV.1.8.2. Тепловий пробій в твердих діелектриках.

Виникає в тих випадках коли, кількість термальної енергії, що виділяється в діелектрику, значно більше тієї, яку він може розсіяти в даних умовах (відбувається порушення термальної дорівнює ваги). Це призводить до нагрівання матеріалу до температур, відповідних розчиненню і обвугленню.

Основні ознаки пробивання:

§ при зростанні ­t⁰с =>> Uпр пробивна напруга знижується;

§ при підвищенні ­t⁰с =>> мінімальний час витягу знижується.

Припущенна робітнича напруга діелектрика:

де:d - коефіцієнт тепловіддачі;

h - товщина діелектрика;

f - частота доданої напруги;

e- діелектрична проникність середовища;

tgd - тангенс куту втрат при температурі t₂;

t₀ - температура довкілля;

a_{0 tgd} - температурний коефіцієнт тангенсу куту втрат.

Якщо ізолятор має значну товщину з малою теплопровідністю і нагрівостійкістю, то для його застосування необхідно знати перегрів шарів ізолятора у порівнянні з поверховiстю.

IV.1.8.3. Електрохімічний пробій в твердих діелектриках.

Спостерігається як при постійному струмі так і при змінному, коли в матеріалу розвиваються електролітичні процеси, які роблять необоротне зменшення Опору ізоляції =>> СТАРІННЯ ДІЕЛЕКТРИКА.

Електрохімічне пробивання вимагає для свого розвитку довгий час. Він зв'язаний з явищем що приводяться до повільного виділення в матеріалу малої кількості хімічних активних речовин, або утворенню напівпровідних сполучень.

Період часу становить від декількох хвилин до десятку років.

IV.1.9. Пробій в рідинах.

Гранично чисту рідину отримати надзвичайно тяжко. Постійні домішки рідких діелектриків: вода; гази; тверді частки.

Розрізняють наступні видів пробивання: 1. В ідеально чистих рідинах; 2. В технічно чистих рідинах; 3. В технічно брудних рідинах.

IV.1.9.1. Пробій в ідеально чистій рідині;

Виникає в наслідок виривання електронів електричним полем з електродів з наступним руйнуванням молекул рідини і утворенням потоку заряджених частинок.

IV.1.9.2. Пробій в технічно чистій рідині;

Виникає в наслідок наявності в рідинах розчинених газів, води, дрібних часток.

Якщо є розчинений ГАЗ, то пробивання пояснюється місцевим перегрівом рідини з наступним утворенням ГАЗОВОГО КАНАЛУ між електродів.

Якщо є механічні ЧАСТИНКИ, те пробивання відбувається в наслідок втягнення останніх в електричне поле, їх вишиковування вздовж поля з утворенням напівпровідного каналу по якому і розвивається пробивання. ЧАСТИНКИ також викривляють електричне поле всередині рідини і призводять до зниження електричної тривкості.

Якщо є краплі ВОДЯНОГО ПАРУ, а вода полярна рідина, вона втягуються між електродів і утворюють струмоведучі ланцюжки.

IV.1.9.3. Пробій в технічно брудній рідині.

Виникає в наслідок недбалого відношення до устаткування, несвоєчасних перевірок, взяття аналізу технічного стану рідкого діелектрика. В наслідок рідина старіє: тобто в ній виділяються:

А. КИСЛОТИ;

Б. ЛУГИ;

В. КРАПЛІ ВОДИ;

Г. ТВЕРДІ ЧАСТИНКИ-ПРОДУКТИ-ЗГОРЯННЯ. І. т.ін.

Саме пробивання відбувається аналогічно пробивання в технічно чистій рідині, але при більш низькій напруженості електричного поля.

Наприклад електрична тривкість:

Очищене мастило Епр=20... 25 МВ/м

Неочищена олія Епр=... 4 МВ/м.

Питання перевірки знань:

- Дати класифікацію діелектриків;

- Загальні фізичні процеси, які трапляються у діелектриках;

- Де влаштовуються ці процеси, які з них корисні, а які небезпечні?

- Фізика загальних процесів у діелектрику?

- Які фактори впливають на процеси у діелектрику?

- Які фізичні явища існують у діелектрику?

- Що таке пробій у діелектрику?

- Що таке математична модель процесу?

- Навіщо її влаштовують при опису матеріалів?

- Які пробої в яких станах діелектрика існують?

- Потреба у з'ясуванні поняття пробивання?

- Механізми пробивання.

Джерела:

Л1 – стор. 182-226

Л2 – стор. 18 - 24; 33 - 49; 66-104

Л3 – стор. 92 - 101; 124-127; 129-153

Тема ІV.1.1. Газоподібні діелектрики.

План

ІV.1.1.1. Роль, види і застосування газоподібних діелектриків в електротехнічних приладах

ІV.1.1.1.1. Азот;

ІV.1.1.1.2. Елегаз;

ІV.1.1.1.3. Фреон;

ІV.1.1.1.4. Перфоровані вуглеводи;

ІV.1.1.1.5. Водень;

ІV.1.1.1.6. Інертні гази.

ІV.1.1.1. Роль, види і застосування газоподібних діелектриків в електротехнічних приладах.

Оскільки людина використає різноманітні енергетичні джерела для перетворення їх в різноманітні видів, те виникає питання передачі і накопичення цієї енергії для подальшого використання. В зв'язку з цим одну з ведучих ролей в даному процесі грають газоподібні діелектрики.

При рівних заданих умовах:

§ тиск - Р;

§ температура – t⁰С;

§ волога - Y;

§ форма електродів;

§ відстань між електродів и і т. ін. різноманітні гази мають різноманітні електричні характеристики. Все це визначене фізикою процесів в середині газів.

ІV.1.1.1.1. АЗОТ (N) і повітря - мають однакову тривкість. Тому N - застосовують замість повітря для заповнення газових конденсаторів. Він вигідний, тому що не виявляє окислювального впливу на металеві частини приладів.

Деякі гази мають високу молекулярну масу. Наприклад: