Работа моста переменного тока

Лабораторная работа №2

Исследование ε и tgδ диэлектриков

 

 

Выполнил: ст. группы ЭП-08

Куртинин А.А.

Проверил: Шойванов Ю.Р.

 

Чита-2012 г.

Цель работы: изучение явления поляризации в диэлектриках, основных методов измерения ε и tgδ (мостового и цифрового автоматического), воздействия температуры, частоты и напряжения приложенного электрического поля на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

Теоретические сведения

Поляризация

При воздействии электрического поля на диэлектрик в нём протекают процессы поляризации – упругое смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных моментов полярных молекул. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора энергетического смещения, который связан с величиной электрического поля соотношением

D= ε E,

Где ε=ε ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/см; ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества; ε =8,85*10 –абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/см.

Следовательно, поляризацией называют процесс в диэлектрике, характеризующий наличие электрического момента в любом его объёме. Различают поляризацию, возникшую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений. Относительная диэлектрическая проницаемость определяется отношением ёмкости конденсатора с данным диэлектриком С к ёмкости того же конденсатора в вакууме (т.е. геометрической ёмкости между электродами) С.

ε=С/С.

Относительная диэлектрическая проницаемость позволяет оценить, во сколько раз увеличивается ёмкость конденсатора при замене вакуума на исследуемый диэлектрик. Для плоского конденсатора, описанного в работе №3, относительная диэлектрическая проницаемость

ε=Cd/S*1/ε=11/3*Cd/S,

Где S-Площадь электрода, см; d-толщина диэлектрика; С - ёмкость конденсатора, пФ. Если электроды имеют форму круга диаметром d, то

S=πd/4, получим ε=14,4Сd/d

Для жидкого диэлектрика

ε=С/C,

где С – ёмкость воздушного конденсатора; С-ёмкость того же конденсатора, заполненного исследуемой жидкостью.

Механизмы поляризации

 

Значение ёмкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами- поляризации, ко­торые различны у разных диэлектриков, но могут проявляться одновременно у одного и того же материала.

Эквивалентную схему диэлектрика, в котором существуют различные ме­ханизмы поляризации, можно представить в виде ряда параллельно подключен­ных к источнику напряжения конденсаторов, как показано на рис. 5.1. Емкость Со и заряд Qo соответствуют собственному полю электродов, если в пространст­ве между ними нет диэлектрика'(вакуум). Все остальные значения С и Q соот­ветствуют различным механизмам поляризации: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной, электронно-релаксационной, ми­грационной, резонансной и спонтанной; R означает сопротивление, эквивалент­ное потерям энергии при этих механизмах поляризации.

Вся емкость конденсаторов эквивалентной схемы шунтирована сопротив­лением изоляции Rиз, представляющим собой сопротивление диэлектрика току сквозной электропроводности.

Переходя к рассмотрению явления поляризации в связи с агрегатным со­стоянием и структурой диэлектриков, следует различать две группы поляриза­ции. К первой группе относятся поляризации, совершающиеся в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии. Эту группу поляризации мы будем называть упругими, или деформационными поляризациями. Ко второй группе относятся поляриза­ции, нарастающие и убывающие замедленно и сопровождающиеся рассеянием энергии в диэлектрике- это релаксационные поляризации (рис. 5.1).К первой группе относятся электронная и ионная поляризации, ко второй группе - дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релакса­ционная, миграционная, спонтанная и резонансная поляризации.

Электронная поляризация (Сэ, Qi) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Данный вид поляризации характерен для всех веществ. Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света. Наиболее легко и быстро на электрическое поле реагируют электроны. Их смещение относительно неподвижного ядра приводит к упругой деформа­ции электронных оболочек атомов. Эта деформация мгновенно устраняется по­сле снятия электрического поля. Время устранения этого вида поляризации со­ставляет Ю"¹"¹...!!)'¹' с. Величина смещения электронов невелика, что обуславли­вает низкую относительную проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией (2...2.5). Смещение и деформация электронных орбит.атомов и ио­нов не зависят от температуры. Наблюдаемое на практике уменьшение е веществ с электронной поляризацией при воздействии температуры обуслав­ливается лишь изменением плотности веществ. Такую поляризацию в чистом виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: нефтяное масло, октол; неполярные твердые вещества: парафин, церезин, полиэтилен, фторопласт - 4. Электронная поляризация присутствует во всех диэлектриках, но в некоторых на нее накладываются другие виды поляризации в зависимости от наличия способных к смещению зарядов, тогда е вещества возрастает.

Ионная поляризация (Си, Qu) характерна для твердых тел с ионным строе­нием и обуславливается смещением упруго связанных ионов. Время установле­ния ионной поляризации - порядка 10'¹³ с. Если диэлектрик имеет кристалли­ческую структуру с ионным строением кристалла (слюда, керамика), то в нем происходит ионная поляризация - упругое смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Диэлектрическая проницаемость веществ с ионной поляризацией 4...30 (у стекол и керамики может достигать значений 200...300). Время установления ионной поляризации - порядка lO'^c. С повы­шением температуры процесс поляризации усиливается в результате ослабле­ния упругих сил, действующих между ионами.

Дипольно - релаксационная поляризация (Сдр, Одр) характерна для поляр­ных диэлектриков, когда их молекулы имеют несимметричное в электрическом отношении строение и обладают дипольным моментом. Под действием внешне-' го электрического поля диполи ориентируются вдоль поля, т.е. происходит дипольная поляризация. Она заключается в повороте в направлении поля молекул полярного вещества. Если рассматривать ориентационную поляризацию более строго, ее надо истолковывать не как непосредственный поворот полярных мо­лекул под действием электрического поля, а как внесение полем некоторой упорядоченности в положение молекул, непосредственно совершающих хаоти­ческие тепловые движения. Поэтому дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, изменение "температуры должно ока­зывать существенное влияние на дипольную поляризацию. Поворот диполей в вязкой среде требует преодоления межмолекулярных сил, поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии. В вязких жидкостях сопротивление поворота молекул настолько велико,' что в быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться по полю и дипольная поляризация при повышенных частотах может полностью исключаться. Процесс установления или ликвидации состояния дипольной поляризации после снятия напряжения является длитель­ным.

Время установления или ликвидации дипольной поляризации тем больше, чем больше размеры молекул и динамическая вязкость вещества. Оно может быть того же порядка, что и время полупериода переменного напряжения, или больше. Дипольная поляризация не очень сильная; величина диэлектрической

проницаемости для полярных диэлектриков лежит в пределах 3...8. Время уста­новления поляризации 10….10с-

Ионно - релаксационная поляризация (Сэр,0эр) наблюдается в ионных ди­электриках с неплотной упаковкой ионов, например, в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах.

В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточ­ные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояние, превышающее по­стоянную решетку. После снятия электрического поля ионы постепенно возвра­щаются к центрам равновесия, т.е. этот механизм можно отнести к релаксационной поляризации, при которой имеет место необратимое рассеяние энергии.

Электронно-релаксационная поляризация (Сэр, Оэр) возникает за счет воз­бужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Следует отметить относительно высокое значение е, которое может иметь место при электронно-релаксационной поляризации, а также наличие максимума в температурной зависимости.

Миграционная поляризация (Сц, 0ц). Миграционная поляризация проявля­ется в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация возникает при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. При­чинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. В электрическом поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводя­щих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя боль­шие поляризационные области. В слоистых материалах на границах раздела слоев, в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно дви­жущихся ионов.

Резонансная поляризация (Срез, Qрез) наблюдается при световых частотах. Она зависит от физико-химических особенностей вещества, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к ха­рактеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах).

Резонансные изменения е показаны на рис. 5.2. Различие в собственных частотах колебаний электронов и ионов обусловлено собственными различиями в массах этих частиц. При резонансе сильно увеличивается поглощение элек­тромагнитной энергией.

Спонтанная поляризация (Ccn,Qcn). Для некоторых видов керамики свойст­венно стремление к образованию доменной структуры при определенных темпера­турах (эта температура названа точкой Кюри). У таких материалов даже без при­ложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов. При наложении электрического поля в таких диэлектриках идет спонтанная поляризация, время установления которой 10….10с. Диэлек­трическая проницаемость достигает десятков тысяч. При температуре выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает.

Изменение е с изменением частоты (рис. 5.2) называют диэлектрической дисперсией. В соответствии с механизмами поляризации различают релаксаци­онную и резонансную дисперсии. Релаксационной называют дисперсию, выра­жающуюся в монотонном снижении диэлектрической проницаемости с ростом частоты. При резонансной дисперсии е сначала растет, а затем уменьшается, проходя через минимум, и достигает высокочастотного значения.

Кривая зависимости ε- от гсмпир.пуры предо тавлспа на рис. 5.3. Наиболее резкие снижения наблюдаются при агрегатных переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное.

 

Рис. 5.2. Частотная зависимость составляющих комплексной ди­электрической проницаемости

Рис. 5,3. Температурная зависи-- мость для электронной εэ, дипольно-релаксационной £.41 и ионно-релаксационной εир поляризаций

Диэлектрические потери

При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энергии поля переходит в тепло и вызывает нагрев диэлектрика. Эта часть энергии поля рас­сеивающаяся в диэлектрике в единицу времени, называется диэлектрическими

потерями.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном,так ипри постоянном напряжениях, поскольку в технических материалах обнаружи­вается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При посто­янном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельного объемного и поверхностного сопротив­лений, которые определяют значение R.m (рис. 5.1),

При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем, кроме сквозной электропроводности, могут проявляться другие механизмы превраще­ния электрической энергии в тепловую При переменном напряжении сущест­венную роль в образовании потерь, кроме потерь, вызванных сквозной проводимостью, играет еще и величина затраты электрической энергии на поляриза­цию, особенно в случае замедленных видов, когда значительная часть энергии поля расходуется на преодоление "внутреннего трения" в момент установления поляризации. В газообразных диэлектриках проявляются так называемые иони­зационные потери. Они могут быть и в твердых диэлектриках при наличии в них газовых включений. Поэтому качество материала недостаточно характери­зовать только сопротивлением изоляции.

В инженерной практике для характеристики способности диэлектрика рас­сеивать энергию в электрическом поле используют удельные потери, угол диэлек­трических потерь, а также тангенс этого угла tg6. Значение tg5, как и другие пара­метры вещества, не остаются строго постоянными, а зависят от различных внеш­них факторов. Эти зависимости имеют большое практическое значение.

У неполярных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены только токами сквозной проводимости. Уменьшение tg5 у неполярных диэлектриков с увеличением частоты объясняется уменьшением тока сквозной проводимости, так как ионы не успевают за изменением направления поля, поэтому уменьша­ется и мощность, рассеиваемая в диэлектрике (рис. 5.4).

У полярных диэлектриков, обладающих дипольной поляризацией, tgδ как правило, увеличивается с ростом частоты. Рост потерь наблюдается до тех пор, пока успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько большой, что дипольные молекулы не успевают полностью ориентироваться по полю, tgδ падает.

 

Диэлектрические потери, обусловленные дипольным механизмом, имеют максимальное значение при некоторой температуре. Спад кривой при более вы­соких температурах вызван уменьшением вязкости; вязкость становится на­столько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. Дальнейший рост с повышением температуры объясняется ростом электропро­водности (рис. 5.6).

Характер зависимости tgδ для неполярных диэлектриков представлен на рис. 5.7. Рост tgδ в этом случае вызван возрастанием электропроводности с рос­том температуры.

Ионизационные потери (см. рис. 5.2) свойственны диэлектрикам в газооб­разном состоянии. Механизм этого-вида потерь зависит от агрегатного состоя­ния вещества.

Резонансные потери (см. рис. 5.2) наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энер­гии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах,.если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, сов­падает с частотой собственных колебаний частиц вещества. Наличие максиму­ма в частотной зависимости tg8 характерно и для резонансного механизма по­терь, однако при изменении температуры максимум не смещается.

Релаксационные потери (см. рис. 5.2) наблюдаются у линейных диэлек­триков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, наблюдаются в ма­териалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные окислы, образовавшиеся в диэлектрике или попав­шие в него в процессе изготовления.

При переменном напряжении через изоляцию протекает ток (рис. 5.9), равный геометрической сумме токов: тока сквозной проводимости \ci, - тока

абсорбции 1абс и емкостного тока (тока смещения) 1см, обусловленного гео­метрической емкостью Сг

I=Iсм+Iабс+Iс,

где I абс+ Iск ^=: Ia - активный ток. Диэлектрические потери в электроизоляцион­ном материале при переменном напряжении пропорциональны квадрату напря­жения, угловой частоте, емкости изоляции, тангенсу угла диэлектрических по­терь и подсчитываются по формуле

Pa=UwCtgδ

где Pa - мощность, теряемая в диэлектрике, Вт; U - напряжение. В;

(В=2тП- угловая частота (f-частота переменного тока), Гц;

С - емкость, Ф; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь. ' Так как параметры U, со, С практически являются неизменными, то о по­терях энергии в изоляции судят по тангенсу угла диэлектрических потерь, кото­рым обладает данный диэлектрик.

Тангенсом угла диэлектрических потерь называется отношение активной составляющей тока 1а, протекающего через изоляцию при приложении к ней пе­ременного напряжения, к его емкостной составляющей.

Из векторной диаграммы (рис. 5.9) видно, что активная составляющая ак­тивного тока 1а состоит из тока сквозной проводимости 1ск и активной состав­ляющей тока абсорбции 1абс. Емкостная составляющая тока 1с равна сумме токов смещения 1см и емкостной составляющей тока абсорбции 1абс. Потери в изоляции создаются, как видно из диаграммы, в основном током абсорбции, активная со­ставляющая 1абс которого больше тока сквозной проводимости 1ск,

Увлажнение и загрязнение изоляции вызывает увеличение активной со­ставляющей тока 1а и вместе с тем увеличение тангенса угла диэлектрических потерь. Показатель tg8 очень чувствителен к изменению качества изоляции, по­этому, измеряя его, контролируют состояние изоляции, транс4юрматоров, кон­денсаторов, электрических машин, высоковольтных вводов и другого электро­оборудования. Качество диэлектрика характеризуют удельными потерями, т.е. мощностью, выделяющейся при данной рабочей частоте в единице объема ди­электрика, углом диэлектрических потерь или чаще тангенсом угла диэлектри­ческих потерь.

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз (р между векторами тока и напряжения в емкостной цепи. Этот угол, а также его тангенс увеличиваются с ростом потерь энергии в диэлектрике. 06разец изоляционного материала с потерями энергии можно представить в виде эквивалентных схем: последовательной (рис. 5.8, а) или параллельной (рис 5.8, б), содержащих идеальную емкость и идеальное активное сопротивление, экви­валентное потерям энергии.

Рис.5.9. Векторные диаграммы токов

Отличие параллельной эквивалентной схемы от последовательной факти­чески сводится к тому, что при параллельной схеме сопротивление, эквивалент­ное потерям, обычно имеет резко увеличенное значение, т.е. R S г. Таким образом, параллельную эквивалентную схему следует применять для таких реальных диэлектриков, в которых потери энергии вызваны главным образом проводимостью. Последовательная схема используется для реальных диэлектриков, в которых потери на проводимость незначительны в сравнении с другими видами потерь.

Для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлек­трических потерь изоляционных материалов применяют различные методы. Основными из них являются мостовые на частоте 50 Гц и резонансные схемы при высоких частотах.

Рис.5.10. Принципиальная схема моста переменного тока Р502

 

Принципиальная схема моста переменного тока представлена на рис. 5.10. Схема моста переменного тока Р5026, который применяется для измере­ния емкости и тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 50 Гц, показана на рис. 5.11. В основе схем измерения заложен принцип измерения мостом Шеринга, схема которого приведена на рис.5.12.

Мост уравновешивается подбором параметров плеч УЗ иУ4 при включе­нии в первое плечо исследуемого образца диэлектрика и во второе плечо образ­цового воздушного конденсатора. Плечи моста имеют следующие параметры:

- полная проводимость исследуемого образца; - ем­костная проводимость постоянного образцового конденсатора; Y3=1/R3 - ак­тивная проводимость декадного магазина сопротивления; Y4=l/R4+j(BC4 - пол­ная проводимость параллельно соединенных постоянного сопротивления R=3183 Ом и регулируемой емкости.

Рис. 5.12. Схема моста Шеринга

Работа моста переменного тока

Мост Р5026 предназначен для измерения емкости, тангенса угла диэлек­трических потерь на частоте 50 Гц. Мост включен по перевернутой схеме, т.е. один из электродов образца заземлен. Принципиальная схема моста приведена на рис 5,10. К диагонали СД от высоковольтного трансформатора подводится питающее напряжение. К зажимам АВ подключен индикатор нуля, состоящий из транзисторного усилителя и стрелочного прибора. Мост регулируется руко­ятками R3 и tg5 (рис. 5.11), пределы изменяются шунтированием магазина со­противлений. При равновесии удовлетворяется соотношение (5.10) и (5,11). Тангенс угла диэлектрических потерь отсчитывается непосредственно на лице­вой панели моста. На передней панели (рис. 5.11) расположены тумблер для включения пер­вичной обмотки питающего трансформатора; переключатель пределов измерения. В, обеспечивающий выбор схемы моста для работы на высоком (красная марки­ровка обозначений) или низком (черная маркировка обозначений) напряжениях (для исключения ошибок от неправильных действий оператора перевод работы схемы с высокого на низкое напряжение возможен лишь при нажатой кнопки Б); переключатель А для измерения положительного и отрицательного тангенсов при различных полярностях подключения индикаторов; переключатель "Чувствитель­ность" индикатора нуля, являющийся одновременно и выключателем питания уси­лителя индикатора. На внутренней стороне крышки прибора находится схема при­бора и инструкция по его эксплуатации. Испытуемый объект помещается внутри металлического ограждения, дверца которого снабжена блокировкой, исключаю­щей подачу высокого напряжения при открытой дверце. Трудность измерения на мосте переменного тока состоит в необходимости учета различного рода паразитных влияний (паразитных емкостей, паразит­ных токов утечки). Это достигается многократным измерением при различных полярностях приложенного напряжения.

 

Вывод: при выполнении данной лабораторной работы мы изучили явления поляризации в диэлектриках, основные методы измерения ε и tgδ (мостового и цифрового автоматического), воздействия температуры, частоты и напряжения приложенного электрического поля на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.