Диэлектрические материалы

1.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» (РУТ (МИИТ)
«ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»
кафедра ЭЭТ , к.т.н., доцент Семенова Елена Юрьевна

2.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Диэлектрики — это вещества, в которых
нет свободных зарядов, способных перемещаться под
действием сил электрического поля.
У изолятора или диэлектрика электрически заряженные
частицы, электроны и ядра, в нейтральных атомах связаны друг
с другом.

3.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Диэлектрики
Полярные
Неполярные
спирты, вода
инертные газы, кислород,
водород, бензол, полиэтилен

4.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
–
+
–
+
–
–
–
+
+
+
Поляризация — смещение положительных и
отрицательных связанных зарядов диэлектрика
в противоположные стороны

5.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Жидкие диэлектрики
углеводороды
минеральные продукты перегона
нефти и каменного
угля
(трансформаторное,
конденсаторное и
др. масла)
углеводороды
растительные
(касторовое,
льняное и другие
масла)
хлорированные
углеводороды
ароматического
ряда (хлордифенил,
совтол) ((+) высокая термическая
устойчивость,
электрическая
стабильность,
негорючесть, (-) токсичность)
кремнийорганичес
кие соединения
(нетоксичны и
экологически
безопасны, не
вызывают коррозии
металлов, обладают
очень низкой
гигроскопичностью
и
морозостойкостью)

6.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Жидкие диэлектрики
Пробой жидких диэлектриков - явление сложное, что объясняется сложным составом жидких
диэлектриков и многими факторами, влияющими на развитие пробоя (загрязнение, форма,
размеры и материал электродов, температура, давление и др.)
Для хорошо очищенных жидкостей величина электрической прочности достигает 1000 кВ/см.
На пробой жидких диэлектриков существенное влияние оказывает множество факторов, которые
могут, как понижать пробивное напряжение (загрязнения, увлажнение и др.), так и
увеличивать его (очистка, давление, барьеры и т.д.).

7.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Жидкие диэлектрики
Основные факторы, изменяющие пробивное напряжение (Uпр)
загрязнение и
увлажнение
(увеличение
загрязненности
масла снижает
Uпр, ничтожное
количество влаги
(< 0,03%) резко
снижает Uпр)
вязкость
(уменьшение
вязкости
уменьшает
Uпр)
время действия
напряжения (с
увеличением
времени
действия
напряжения Uпр
уменьшается;
чем чище
диэлектрик,
тем меньше это
влияние)
форма, площадь
электродов и
расстояние
между ними
(форма
электродов
создает поля
разной степени
неоднородности,
чем больше
коэффициент
неоднородности,
тем ниже U пр; с
увеличением
площади
электродов U пр
уменьшается;
увеличение
расстояния
увеличивает U пр)
температура
(с увеличением
температуры
Uпр
уменьшается;
на импульсном
напряжении
это влияние
незначительно
полярность
электродов
при
несимметричн
ой их форме
(при
отрицательной
полярности
пробивные
напряжения
больше,
чем при
положительной
)
давление (для
технически
чистого масла
увеличение
давления
приводит к
увеличению
Uпр, т.к.
увеличивается
давление в
газовых
пузырьках)
наличие барьеров
(барьеры могут
существенно
повысить Uпр,
особенно в
резконеоднородном
поле)

8.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Жидкие диэлектрики
Влияние времени воздействия напряжения
Рис. Зависимость прибивного напряжения от времени воздействия для
трансформаторного масла
При воздействии импульсов напряжения с длительностью τ < 10 с
(область I) влияние примесей значительно ослаблено, т.е. они не
успевают переместиться на заметные расстояния.
При длительном воздействии напряжения (область II) присутствие
влаги, газа, загрязнений в жидком диэлектрике сильно снижает его
электрическую прочность.
Пробой наступает вследствие образования цепочек из мелких
поляризованных частиц включений, которые вытягиваются вдоль
силовых линий. Эти цепочки образуют проводящий канал, по
которым протекает ток, разогревающий воду и прилегающую к каналу
жидкость до кипения.

9.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Жидкие диэлектрики
Влияние времени воздействия напряжения
Рис. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного
масла от расстояния между электродами различной формы
Повышение температуры сухого масла снижает его электрическую
прочность. Большое влияние на электрическую прочность масла и
его пробивное напряжение Unp оказывают форма электродов и
расстояние между ними. На рис. показана зависимость пробивного
напряжения трансформаторного масла от расстояния между
электродами в виде шаров и закругленных пластин (кривая 1 ) и
пластин с острыми краями (кривая 2). На рисунке видно, что в
последнем случае значения Unp с увеличением расстояния между
электродами значительно меньше, чем в первом случае. Это
объясняется неоднородностью электрического поля, образуемого
электродами с острыми краями.

10.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Электрическая прочность твердой изоляции выше, чем газообразной и жидкой Uпр тв >Uпр ж >Uпр г .
Твердые диэлектрики
Неорганические
изоляционные
материалы
(фарфор, стекло,
слюда)
Высокомолекулярные полимерные
изоляционные материалы
(термопластичные – полиэтилен,
полипропилен, полистирол,
фторопласт; термореактивные – эпоксидные
компаунды) силиконовая резина,
силиконовый каучук)
Органические
материалы
(бумага ,картоны,
гетинакс, текстолит)

11.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Твердые диэлектрики
Основными диэлектрические характеристики
объемное
сопротивление
поверхностное
сопротивление
диэлектрическая
проницаемость
электрическая
прочность

12.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Твердые диэлектрики
Электрическая прочность твердой изоляции зависит
формы
электрического
поля
времени
воздействия
напряжения
вида
напряжения и
полярности
однородности
диэлектрика
электрофизических
характеристик
(полярный-неполярный,
tgδ, ε , γ и др.)
температуры

13.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Твердые диэлектрики
При определённой величине электрического напряжения, прикладываемого к изолятору заданной
толщины, через него может проходить значительный ток, называемый пробойным. При этом само
такое явление получило название электрического пробоя.
Пробой твердых диэлектриков
Виды пробоя
электрический
тепловой
электрохимический

14.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Твердые диэлектрики
Пробой твердых диэлектриков
Области I и II соответствуют электрическому пробою (резкое
возрастание пробивного напряжения в I области обусловлено
запаздыванием развития разряда относительно
времени приложения напряжения).
Область III характеризуется резким спадом пробивного
напряжения, что говорит о
преобладающей роли тепловых процессов.
Область IV — медленное снижение пробивного напряжения с
увеличением времени воздействия связано с медленными
процессами старения, деградации твердой изоляции

15.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Твердые диэлектрики
Применение твердых диэлектриков в электротехнической и электронной
промышленности
изоляционные оболочки
проводниковой и
кабельной продукции
(шнуров, электрических
проводов и кабелей)
.
каркасы
электротехнических
изделий (катушек
индуктивности,
корпусов, стоек,
панелей и т.п.)
электронные
печатные платы (в
том числе и панели,
используемые для
расшивки
проводников)
элементы
электроустановочных
изделий
(распределительных
коробок, розеток,
патронов,
кабельных разъемов,
переключателей и т.п.)
защитные покрытия
самого различного
класса

16.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Отрицательные свойства воздуха
Положительные свойства воздуха
быстро восстанавливает
свою электрическую
прочность после пробоя
.
незначительно изменяет
диэлектрическую
проницаемость
незначительно изменяет
диэлектрическую
проницаемость
низкая
теплопроводность
способность
увлажняться,
образовывать оксиды,
поддерживать горение
невысокая электрическая
прочность

17.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Электрическая прочность воздуха не является постоянной и зависит от
давления и относительной влажности, а также формы электродов.
Явление пробоя воздуха зависит от степени однородности
электрического поля, в котором осуществляется пробой.
Однородное поле можно получить между плоскими электродами с
закругленными краями, а также между сферами при расстоянии
между ними, соизмеримом с диаметром сферы.
В таком поле пробой наступает практически мгновенно при
достижении строго определенного напряжения, зависящего от
температуры и давления воздуха

18.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Механизм пробоя газообразных диэлектриков
Пробой газа - нестационарный процесс интенсивной ионизации газа под действием внешнего постоянного или
переменного электрического поля при достижении им некоторой критической (пороговой) величины.
В этом случае свободный электрон под действием поля набирает энергию, достаточную для ионизации атома, и,
вовлекая далее в процесс ионизации газа всё новые и новые поколения электронов, порождает лавину
электронную.
Наряду с процессами рождения электронов существуют и процессы их исчезновения: прилипание к атомам и
молекулам в электроотрицательных газах, потери на электродах и диффузия. Пробой газов происходит, если
скорость рождения электронов превосходит скорость их исчезновения. В случае равенства указанных скоростей
существует стационарный разряд.
Распад молекулы газа на электроны и положительные
ионы называется ионизацией газа.
Под действием электрического поля образовавшиеся
ионы и электроны начинают двигаться, создавая
электрический ток

19.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики

20.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Влияние различных факторов на электрическую прочность газов
Влияние неоднородности
электрического поля
Влияние расстояния между электродами
Влияние давления

21.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Влияние неоднородности электрического поля

22.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Электрические поля при пробое
Однородное электрическое поле создается в газовом промежутке между шарами
одинакового диаметра “Д” при расстояниях “а” между ними, не больших 0.75Д
(а < 0,75Д), и между дисками с закругленными краями. При постепенном
увеличении напряженности в результате ударной ионизации происходит пробой
всего газового промежутка без предварительных разрядов, причем канат пробоя
может возникнуть в любом месте между электродами. Электрическая прочность
газового промежутка в однородном поле имеет максимальное значение.

23.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Электрические поля при пробое
К слабонеоднородным относят электрические поля, для которых Еmaх/Еср <=2.
Характерным примерами таких полей являются поля, образованные плоскими
дисками с острыми краями, а также шаровыми электродами при расстояниях “а’'
между ними, несколько больших 0,75Д.
Процесс пробоя здесь развивается также, как и в однородном поле. Однако канал
пробоя возникает в местах максимальной напряженности электрического поля (по
краям электродов - в случае дисков с острыми краями).
Величина электрической прочности газового промежутка в слабонеоднородном
поле несколько ниже по сравнению с таким же газовым промежутком однородного
поля

24.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Влияние давления
Характер зависимости пробивного напряжения Unp газа от
давления “Р” показан на рис.
Увеличение Unp газового промежутка в области больших
давлений объясняется ростом концентрации числа молекул газа
в единице объема и сокращением расстояний
между ними.
Следовательно, уменьшается длина свободного пробега и
энергии Wh ионизирующих частиц (прежде всего электронов),
что затрудняет процесс ионизации.
Рост Unp в области малых давлений объясняется малым
количеством молекул газа в единице объёма и, вследствие этого,
малой вероятностью столкновений ионизирующих частиц с
молекулами газа.
Это также затрудняет процесс ионизации и образование
разрядного канала в газе.

25.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Влияние расстояния между электродами
Характер зависимости пробивного напряжения газа от расстояния “ h”
между электродами (толщины газового слоя) показан на рис.
Подобие кривых Unp=f(p) и Unp=f(h) для газовых промежутков было
экспериментально установлено французским исследователем
Пашеном. Он также доказал, что Unp=f(p) газа зависит от величины
произведения давления газа (р) на расстояние (h) между электродами.
Эта зависимость получила название закона Пашена
(закона подобия), который формулируется так:
“Если длина (h) газового промежутка и давление (Р) газа изменяются
так, что их произведение остаётся постоянным (т.е. обратно
пропорционально друг другу), то величина пробивного напряжения
Unp не меняется”

26.

ДИЭЛЕКТРИКИ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ)
Газообразные диэлектрики
Заключение
В результате исследований были получены значения пробивного напряжения для
электродов различной формы при различном расстоянии между ними.
Оказалось, что значение пробивного напряжения прямо пропорционально расстоянию
между электродами. Также пробивное напряжение зависит от формы электродов. Оно
достигает максимального значения при форме электродов шар-шар, а минимального при
форме электродов плоскость-игла.
Из ранее показанных графиков видно, что пробивное напряжение является функцией
расстояния.

27.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ