Діелектричні властивості ізоляційних матеріалів

1.

Діелектричні
властивості
ізоляційних матеріалів
Ласкаво просимо до презентації, присвяченої діелектричним
властивостям ізоляційних матеріалів. У цій презентації ми розглянемо
ключові характеристики діелектриків, їх фізичні властивості та
поведінку під впливом електричного поля. Ми детально
проаналізуємо діелектричні втрати, електричну міцність, механізми
пробою та фізико-хімічні властивості електроізоляційних матеріалів.
Розуміння цих аспектів є критично важливим для проектування
надійних електричних систем та вибору оптимальних ізоляційних
матеріалів для різних застосувань.
by Собчук Наталія Валеріївна

2.

Діелектричні втрати: основні поняття
1
Визначення
діелектричних втрат
2
Втрати при постійній
напрузі
3
Питомі діелектричні
втрати
Діелектричні втрати Р - це електрична
Якщо ділянка ізоляції з опором Riз
Питомі діелектричні втрати (без
потужність, яка поглинається в
перебуває під постійною напругою U,
урахування втрат від струму
діелектрику під дією напруги. Ця
то величина діелектричних втрат
поверхневого витоку) визначаються
потужність розсіюється в ізоляції,
дорівнює: P = U² / Riз = U × I, де І -
за формулою: p = E² / r = E² × g, де r -
перетворюючись в тепло, що впливає
наскрізний струм витоку крізь
питомий опір матеріалу, а g - питома
на ефективність та довговічність
ізоляцію.
об'ємна провідність.
ізоляційних матеріалів.

3.

Діелектричні втрати при змінній напрузі
Тангенс кута діелектричних втрат дорівнює відношенню
активного та реактивного компонентів струму, що
проходить крізь ізоляцію:
tgδ = Ia / Ip
Величина втрат P (Вт) в ділянці ємністю С (Ф) при діючому
значенні прикладеної змінної синусоїдальної напруги U (В)
та частоті f (Гц) дорівнює:
Кут діелектричних втрат δ - найважливіша характеристика
як матеріалу (діелектрика), так і електроізоляційної
конструкції. Якість ізоляції тим вища, чим менший цей кут.
P = U²ωCtgδ
Ia
де δ — кут діелектричних втрат в векторній діаграмі
Ip
I
струмів в діелектрику, який доповнює до 90° зсув фаз φ
між струмом та напругою.
δ
φ
U
0

4.

Значення тангенса кута діелектричних втрат
10⁻³
Мінімальне значення
Величина tgδ для кращих електроізоляційних матеріалів становить 10⁻³÷10⁻⁴ частки одиниці
90°
Максимальний кут зсуву
Кут діелектричних втрат δ доповнює до 90° зсув фаз φ між струмом та напругою
T₁
Критична температура
Температура, при якій у полярних діелектриків починається зменшення tgδ
T₂
Температура зростання
Температура, вище якої tgδ знову зростає через збільшення струму провідності
Величина tgδ значною мірою залежить від температури діелектрика, причому характер цієї залежності різний для полярних і
неполярних діелектриків.

5.

Температурна залежність tgδ для
різних діелектриків
tgδ
2
1
Неполярні діелектрики
Збільшення tgδ у неполярного діелектрика зумовлено зростанням струму
провідності в діелектрику при підвищенні температури. Графік показує монотонне
зростання втрат.
T
0
T1
T2
Полярні діелектрики до T₁
У полярного діелектрика зростання tgδ до температури Т₁ зумовлено втратами
енергії на поворот дедалі більшої кількості полярних молекул, що беруть участь у
процесі поляризації.
Полярні діелектрики T₁-T₂
В інтервалі температур Т₁-Т₂ втрати енергії зменшуються. Це зумовлено тим, що
сильне нагрівання діелектрика позбавляє диполі можливості взяти участь у процесі
поляризації через тепловий розкид диполів.
Полярні діелектрики вище T₂
Зростання tgδ, починаючи з температури Т₂ і вище, зумовлено збільшенням струму
провідності, оскільки з нагріванням діелектрика густина його зменшується, а носії
струму набувають більшої швидкості.

6.

Електрична міцність
діелектрика: основні поняття
Визначення електричної
міцності
Пробивна напруга
Електрична ізоляція не може
було прикладено до ізоляції в момент
витримувати необмежено високу
пробою, називається пробивною
напругу. При підвищенні напруги до
напругою. Це критичний параметр для
певного рівня виникає пробій ізоляції,
оцінки надійності ізоляційних
при якому струм витоку стрибком
матеріалів.
Найбільше значення Uпp напруги, яке
збільшується на декілька порядків.
Розрахунок електричної міцності
Електричну міцність діелектрика Епр (В/м) в разі пробою його в рівномірному полі
обчислюють за формулою: Епр = Unp / h, де h - товщина діелектрика в місці пробою.
Вольт-амперна характеристика ізоляції

7.

Вольт-амперна характеристика ізоляції
Напруга, В
Струм, мкА
Схематична вольт-амперна характеристика ізоляції показує залежність струму крізь ізоляцію від напруги I(U). Точка П графіка, для якої dI/dU → ∞, відповідає моменту пробою. При
цьому опір ізоляції різко зменшується, практично виникає коротке замикання між електродами.
Як видно з графіка, до певного значення напруги струм зростає повільно, майже лінійно, але при наближенні до пробивної напруги спостерігається різке збільшення струму.

8.

Залежність електричної міцності від
товщини діелектрика
Вплив товщини
Порівняння матеріалів
Рідкі діелектрики
В більшості випадків при
Електрична міцність твердих
Для трансформаторного масла
зростанні товщини діелектрика h
діелектриків вища від міцності
електрична міцність становить
величина електричної міцності
рідких або газоподібних
приблизно Епр = 20 МВ/м, що
Епр зменшується. Таким чином,
діелектриків. Наприклад, для
значно вище, ніж у газоподібних,
тонкошарова ізоляція з точки
слюди та синтетичних
але нижче, ніж у твердих
зору електричної міцності має
неполярних полімерів
діелектриків.
перевагу.
Епр=50÷100 МВ/м.
Газоподібні діелектрики
Для повітря електрична міцність
становить лише Епр = 3 МВ/м, що
робить його найслабшим
діелектриком серед розглянутих
типів ізоляційних матеріалів.

9.

Фізична природа пробою діелектриків
Чисто електричний пробій
Безпосереднє руйнування структури діелектрика силами електричного поля, що діють на електрично заряджені частки. Розвивається за мить і в
більшій мірі може вважатися параметром матеріалу, оскільки величина електричної міцності змінюється у вузьких межах.
Електротепловий пробій
Пов'язаний з нагріванням ізоляції в електричному полі завдяки діелектричним втратам. Після прикладання напруги температура зростає, що
збільшує діелектричні втрати. Процес іде з підсиленням у місцях з гіршою тепловіддачею, що призводить до зменшення електричної міцності.
Електромеханічний пробій
Спостерігається в крихких матеріалах в сильно нерівномірному полі, після підготовки механічним руйнуванням матеріалу (виникнення
мікроскопічних тріщин), що послаблює структуру діелектрика.
Електрохімічний пробій
Вид пробою, що повільно розвивається внаслідок хімічних змін матеріалу в електричному полі. Прикладом є проростання металевих
деревоподібних паростків - "дендритів" внаслідок електролізу.
Іонізаційний пробій
Пояснюється дією на діелектрик хімічних речовин, що виникають в газових щілинах діелектрика при часткових розрядах, а також ерозією
діелектрика на межах щілин іонами газу.

10.

Порівняння видів пробою діелектриків
Вид пробою
Швидкість розвитку
Основний механізм
Характерні ознаки
Чисто електричний
Миттєвий
Руйнування структури електричним
Стабільні значення електричної
полем
міцності
Нагрівання через діелектричні
Плавлення, обвуглення матеріалу
Електротепловий
Поступовий
втрати
Електромеханічний
Швидкий
Механічне руйнування під дією поля
Мікротріщини в крихких матеріалах
Електрохімічний
Дуже повільний
Хімічні зміни в електричному полі
Утворення дендритів
Іонізаційний
Повільний
Ерозія від часткових розрядів
Пошкодження на межах газових
включень

11.

Розчинність електроізоляційних матеріалів
Вплив молекулярної
маси
Приклади розчинності
Неполярні та слабополярні
Хімічна спорідненість
підвищенням ступеня
розчиняються в рідких
Найкраще розчиняються
Визначення
розчинності
Розчинність знижується з
вуглеводні (парафін, каучук)
полімеризації (молекулярної
вуглеводнях; полярні смоли з
речовини, які наближені до
гідроксильними групами
розчинника за хімічною
природою. Полярні речовини
Розчинність твердих матеріалів
розчиняються легше в полярних
можна оцінити кількістю
рідинах, а нейтральні - в
матеріалу, яка переходить в
нейтральних.
(феноло-формальдегідні)
маси). Високомолекулярні
речовини з лінійною структурою
молекул розчиняються
розчиняються у спирті та інших
полярних розчинниках.
Вплив температури
порівняно легко, а просторові
При підвищенні температури
структури - тяжко.
розчинність звичайно сильно
збільшується, що важливо
розчин за одиницю часу з
враховувати при виборі
одиниці площі поверхні
матеріалів для експлуатації при
матеріалу, що контактує з
підвищених температурах.
3
розчинником.
2
1
4
5

12.

Хімічна стійкість електроізоляційних матеріалів
1
Визначення хімічної
стійкості
2
Методи визначення
3
Кислотне число
Для визначення хімічної стійкості
Для трансформаторного масла, смол
Стійкість до роз'їдання (корозії)
зразкам матеріалів на тривалий час
вимірюється кислотне число, яке
різними речовинами, з якими
створюють умови, наближені до
характеризує вміст у матеріалі вільних
стикаються електроізоляційні
експлуатаційних (або більш суворі),
кислот. Воно визначається кількістю
матеріали, є важливою
після чого визначають зміни
грамів їдкого калію (КОН), яке
характеристикою для оцінки їх
зовнішнього вигляду зразків, їх маси
нейтралізує всі вільні кислоти в 1 кг
довговічності та надійності в різних
та інших характеристик.
випробуваного матеріалу.
умовах експлуатації.

13.

Гігроскопічність електроізоляційних матеріалів
Визначення гігроскопічності
Електроізоляційні матеріали здатні
Процеси зволоження і сушіння Анізотропія
вологопоглинання
Якщо сухий зразок матеріалу розмістити у
сорбувати вологу з навколишнього
зволоженому повітрі, він поступово
Анізотропні матеріали вбирають вологу в
середовища і мають певну
поглинатиме вологу, наближаючись до
різних напрямках з різною швидкістю.
вологопроникність. Гігроскопічність - це
рівноважної вологості. Навпаки,
Наприклад, дерево швидше вбирає
рівноважна вологість матеріалу за
зволожений зразок у тому ж середовищі
вологу в напрямку вздовж волокон;
нормальної температури в повітрі з
буде висихати до досягнення тієї ж
шаруваті пластики - вздовж шарів, що
відносною вологістю близькою до 100%.
рівноважної вологості.
важливо враховувати при проектуванні
ізоляції.

14.

0
ψ
Фактори, що впливають на
гігроскопічність
б
1
Структура матеріалу
На гігроскопічність матеріалу суттєвий вплив має його будова. Велику роль відіграє існування
та розмір капілярних проміжків всередині матеріалу, в які проникає волога. Пористі матеріали
a
зазвичай більш гігроскопічні.
ψр
t
2
Пористість
Дуже пористі матеріали, насамперед волокнисті, більш гігроскопічні порівняно з матеріалами
Графіки зволоження і сушки електроізоляційного матеріалу
щільної суцільної будови. Гігроскопічність матеріалів, які практично не мають пор (наприклад,
скло), може бути тільки поверхневою.
3
Розподіл вологи
Якщо поглинена волога утворює всередині ізоляції волоски або плівки між електродами, то
навіть малі кількості вологи призводять до значного погіршення електричних властивостей.
Якщо волога розподіляється у вигляді окремих вкраплень, вплив незначний.
4
Змочуваність
Для незмочуваних матеріалів зниження питомого поверхневого опору після перебування у
вологому середовищі незначне, тому що волога утворює окремі краплини, а не суцільну
водяну плівку.

15.

Вплив температури на вологопоглинання
Підвищення температури
1
Підвищення температури при незмінній відносній вологості повітря призводить до зниження
рівноважної вологості матеріалу.
Ефективність сушіння
На сушіння сприятливо впливає не тільки пониження вологості
2
навколишнього середовища та зміна повітря (вентиляція), а й підвищення
температури.
Рівноважна вологість
3
При підвищенні температури рівноважна вологість
матеріалу зменшується, що дозволяє ефективніше
видаляти вологу з ізоляційних матеріалів.

16.

Вологопроникність електроізоляційних матеріалів
Визначення вологопроникності
1
2
3
4
Здатність матеріалів пропускати крізь себе пару води
Важливість для захисних покриттів
Критична для шлангів кабелів, компаундних заливок, лакових покриттів
Молекулярний рівень
Молекула води має діаметр 2,5×10⁻¹⁰ м
Основне рівняння вологопроникності
М = П (р1–р2) S t/h
Вологопроникність є надзвичайно важливою характеристикою для оцінки якості матеріалів, які використовуються для захисних покриттів. Основне
рівняння вологопроникності описує кількість води М (кг), що проходить при стаціонарному режимі за проміжок часу t (с), крізь ділянку площею S (м²),
шару матеріалу товщиною h (м), якщо з двох сторін плівки існують парціальні тиски водяної пари в повітрі p₁ та p₂ (Па).

17.

Коефіцієнти
вологорозчинності та дифузії
Коефіцієнт
вологорозчинності
Закон Генрі для
вологовмісту
Коефіцієнт вологорозчинності a - це
Закон Генрі може бути записаний
коефіцієнт пропорційності закона
через масовий вологовміст: w × D = a ×
Генрі: C=a p, де С – рівноважна
р, де w - масовий вологовміст
вологість, яка віднесена до одиниці
матеріалу, а D - густина матеріалу. Це
об'єму матеріалу (кг/м³), а p – пружність
дозволяє розрахувати рівноважний
водяної пари в повітрі. Вимірювання a
вологовміст матеріалу при заданій
в системі СІ - (кг/м³×Па), або с²/м².
вологості повітря.
С= D
Коефіцієнт дифузії
Коефіцієнт дифузії К матеріалу є відношення величини П (коефіцієнта
вологопроникності) до a: К = П/a. Одиниця СІ для К - м²/с. Цей параметр характеризує
швидкість проникнення вологи через матеріал.

18.

Змочуваність електроізоляційних матеріалів
β < 90o
β > 90o
Крайові кути змочування поверхні твердих тіл водою
Здатність твердого тіла змочуватись водою або іншою рідиною характеризується крайовим кутом змочування β краплини води,
яку нанесено на поверхню тіла. Чим менший кут β, тим сильніше проявляється змочуваність матеріалу; для змочуваних поверхонь
β < 90°, а для незмочуваних β > 90°.
Змочуваність поверхні має критичне значення для електроізоляційних властивостей матеріалу, оскільки впливає на характер
розподілу вологи на поверхні та всередині матеріалу.

19.

Методи зменшення гігроскопічності та
вологопроникності
Покриття
Просочення
2
1
Заповнення пор спеціальними гідрофобними
Нанесення захисних водонепроникних шарів
речовинами
Модифікація поверхні
3
Термічна обробка
Зміна структури для зменшення пористості
5
4
Хімічна обробка для надання гідрофобних
властивостей
Герметизація
Повне запобігання контакту з вологою
Для зменшення гігроскопічності та вологопроникності пористих електроізоляційних матеріалів широко застосовується їх просочення
гідрофобними речовинами. Це дозволяє заповнити пори матеріалу, запобігаючи проникненню вологи. Інші методи включають нанесення
захисних покриттів, хімічну модифікацію поверхні, герметизацію та термічну обробку для зміни структури матеріалу.

20.

Підсумки та практичне застосування знань про
діелектричні властивості
Проектування
високовольтного обладнання
Вибір оптимальних матеріалів
Обслуговування та діагностика
Знання фізико-хімічних властивостей
Розуміння процесів старіння та деградації
Розуміння діелектричних втрат та
електроізоляційних матеріалів дозволяє
ізоляції під впливом різних факторів
електричної міцності дозволяє правильно
обирати оптимальні матеріали для
дозволяє розробляти ефективні методи
проектувати ізоляцію високовольтного
конкретних умов експлуатації, враховуючи
діагностики стану ізоляції та планувати
обладнання, забезпечуючи його надійну та
температуру, вологість, хімічну агресивність
профілактичні заходи для запобігання
безпечну роботу протягом тривалого часу
середовища та електричні навантаження.
аварійним ситуаціям.
експлуатації.