Основные механизмы электропроводности диэлектрических жидкостей
Электропроводность при постоянном напряжении.
Транспортировка заряда в диэлектрических жидкостях происходит в основном за счет движения положительных и отрицательных ионов, возникающих в результате диссоциации примесей или продуктов распада жидкости при ее старении, а также наличия электронов, влиянием которых при не слишком высоких напряженностях поля можно пренебречь [8.8, 8.9]. Причиной этого является быстрая рекомбинация появившихся свободных электронов с положительными ионами или прилипание к молекулам и образование отрицательных ионов [8.10]. Поэтому плотность свободных электронов пренебрежимо мала. К ионной проводимости добавляется электрофоретическая, если жидкость содержит примеси в виде суспензии или эмульсии. Частицы этих примесей могут получать заряд от окружающей среды и участвовать в переносе заряда.
Плотность тока J в постоянном поле зависит от заряда q, концентрации п и средней подвижности носителей заряда, а также от напряженности поля Е. Можно записать следующее уравнение: J=qnbE. (8.6)
Если справедлив закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные процессы, электропроводность
e=qnb. (8.7)
Подвижность зависит как от значения заряда q, так и от радиуса r носителя зарядов (ионов) и обратно пропорциональна вязкости жидкости, т. е.
(8.8)
где η — вязкость жидкости.
Характерной особенностью жидких диэлектриков является то, что при постоянном напряжении их электропроводность со временем снижается. Приблизительно эту зависимость (рис. 8.5) можно разбить на четыре области.
В области А ток уменьшается вследствие ориентации диполей. Область Б характеризуется движением свободных носителей зарядов в электрическом поле к электродам. Электропроводность в этой области обозначается фактической электропроводностью, так как соответствует измеренной при 50 Гц (см. 8.1.2.4).
Снижение тока в области В объясняется обеднением концентрации быстрых носителей зарядов и образованием объемных зарядов у электродов. В области Г наблюдается стационарный ток, обусловленный непрерывным возникновением ионов за счет диссоциации.
Вследствие температурных зависимостей концентрации носителей заряда и вязкости электропроводность меняется при изменении температуры по закону Ван Гоффа
(8.9)
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; σο, F— постоянные вещества.
Коэффициент F характеризует энергию активации подвижности носителей зарядов и процессов диссоциации за счет электролитических примесей. Точное разделение влияния подвижности носителей зарядов и их количества на электропроводность изоляционных масел провести, как правило, невозможно.
Рис. 8.5 Электропроводность σ при постоянном напряжении изоляционного масла в зависимости от времени воздействия напряжения [8.11]
Рис. 8.6. Зависимость плотности тока / изоляционной жидкости от напряженности поля Е:
I — линейная область, где справедлив закон Ома; // — область, в которой резко увеличивается плотность тока
Рис. 8.7. Удельное сопротивление р минерального масла при температуре 40 °C в зависимости от содержания воды w
Закон Ван Гоффа справедлив в предположении, что выполняется закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные явления. Это предположение о линейной связи плотности тока с напряженностью поля справедливо только до определенных значений напряженностей, зависящих от рода жидкости и наличия примесей. Если напряженность превышает некоторое граничное значение напряженности, то плотность тока начинает быстро возрастать (рис. 8.6).
Такое резкое возрастание плотности тока связано с увеличением концентрации носителей зарядов и начинается при тем меньшей напряженности, чем выше температура жидкости. Для сухого трансформаторного масла при температуре 20 °C оно наблюдается при Е=20 кВ/см, а при температуре 70°C — при Е—8 кВ/см (см. также 8.1.2.4, рис. 8.14). Для конденсаторных изоляционных жидкостей, например для синтетической жидкости финилксилилэтан, при температуре 60 °C начинается быстрый рост тока, а следовательно, и tg δ при Е=50 кВ/см. Поэтому жидкую изоляцию можно рассматривать как слабый электролит, в котором увеличение напряженности поля приводит к образованию новых носителей зарядов за счет диссоциации (эффект Вина [8.12]). К этому процессу добавляется ток, вызванный инжекцией электронов с катода. Процесс инжекции облегчается высокой напряженностью поля у катода, возникающей за счет наложения основного поля и поля положительного объемного заряда [8.10].
Как уже упоминалось, перенос заряда осуществляется в основном благодаря движению ионов, образованных диссоциацией примесей и продуктов распада жидкости при ее старении. Примеси в изоляционном масле, влияющие на электропроводность, могут быть самые разнообразные. Обычно всегда имеются газообразные компоненты и пары воды.
Влияние растворенных газов на электропроводность, а следовательно, на сопротивление утечки не обнаруживается, в то время как сопротивление утечки жидкой изоляции при малом содержании влаги изменяется незначительно, а при большом — весьма существенно (рис. 8.7).
Тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.
Свойства диэлектрика определяются тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью. Их значения и зависимости от температуры, частоты и напряжения являются определяющими при использовании того или иного материала, а также служат критерием качества, степени чистоты материала и его состояния в процессе старения.
Основные понятия, определения и схемы замещения изоляции.
Изоляция представляет собой емкость с потерями, а ее характеристики определяются диэлектрической проницаемостью и удельным сопротивлением.
Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала определяется как отношение емкости конденсатора, диэлектриком которого является рассматриваемый материал, к емкости того же конденсатора, диэлектрик которого заменен вакуумом:
Электрическая постоянная ε0 равна диэлектрической проницаемости вакуума, т. е.
Рис. 8.8. К определению tg δ
Тангенс угла диэлектрических потерь определяется как отношение активной Ра и реактивной Рр мощностей при приложении к конденсатору напряжения U:
при этом для изоляции с потерями можно использовать схему с параллельным соединением Р и комплексной емкости С, для которой и рассчитывается tg δ.
Ток через изоляцию в комплексной форме
Таким образом, tgδ складывается из двух составляющих, причем tgδl характеризует потери за счет проводимости (преимущественно ионной), a tgδp — за счет переполяризации молекул диэлектрика.
8.1.2.4. Механизмы электропроводности и поляризации.
Ионная проводимость. Электропроводность за счет движения носителей зарядов (ионная проводимость) при не очень высоких частотах принципиально имеет тот же механизм, что и при постоянном напряжении (см. 8.1.2.1), — перемещение свободных носителей под действием электрического поля. По причинам, указанным в 8.1.2.1, эти процессы в жидкости называют ионной проводимостью. Однако было бы более правильным называть рассматриваемые процессы проводимостью за счет движения носителей заряда, так как при высоких напряженностях ионная проводимость перекрывается током, обусловленным электронными процессами (эффект Вина).
Независимо от рода носителей зарядов электропроводность при переменном напряжении связана с их смещением в переменном поле, а ее значение при 50 Гц совпадает со значением электропроводности спустя 10-2 с после приложения постоянного напряжения (см. рис. 8.5). Поэтому согласно (8.7)
σ~=qnb, т. е. электропроводность определяется зарядом, концентрацией и подвижностью участвующих в переносе частиц и поэтому в диапазоне от одного до нескольких сотен герц не зависит от частоты. Отсюда следует, что для заданного устройства с жидкой изоляцией существует конечное сопротивление R, которое в соответствии
Поляризационные потери. Наряду с потерями за счет проводимости в жидких изоляционных материалах имеют место дополнительные потери при переменном напряжении, учтенные в (8.18) членом
Эти так называемые поляризационные потери могут вызываться следующими механизмами.
Отдельные молекулы или атомы в составе молекул колеблются в такт с приложенным напряжением. Аналогичные колебания иногда возникают между ядром и электронной оболочкой, в этом случае речь идет о неполярном веществе. Описанный механизм поляризационных потерь называется деформационной поляризацией.
Другим механизмом потерь является поляризация на граничных поверхностях. В неоднородной, например, частично кристаллизованной среде на границах участков с различными свойствами накапливаются заряды, которые в такт с приложенным напряжением изменяют свой знак. Однако, учитывая структуру жидкостей, этот вид поляризации маловероятен.
Наконец, существует ориентационная поляризация. Она наступает тогда, когда изоляционный материал содержит перманентные диполи. Под перманентными диполями имеются в виду такие молекулы, центры положительных и отрицательных зарядов которых не совпадают. При наложении электрического поля диполи в такт с изменением напряжения в большей или меньшей степени выстраиваются по направлению поля.
В жидкостях доминирующим механизмом является ориентационная поляризация. В соответствии с (8.18) частотная зависимость поляризационных потерь определяется комплексной проницаемостью
которая связана с частотой ω уравнением Дебая [8.14]:
ИЛИ
(8.23) где τ — время релаксации соответствующего механизма поляризации; εст — реальная часть комплексной проницаемости в пределах частот вплоть до релаксационной частоты (статическая проницаемость); εr∞ — реальная часть комплексной проницаемости при частотах, существенно больших, чем частота релаксации.
Отсюда получается зависимость tgδp от частоты в виде
(8.24)
В результате можно построить зависимости tgδp, реальной и мнимой составляющих проницаемости от частоты (рис. 8.10).
В соответствии с описанным в 8.1.2.1 эффектом Вина tg δ растет е увеличением напряженности поля, если она превышает некоторую граничную напряженность, в пределах которой еще соблюдается закон Ома. На рис. 8.14,в представлены экспериментальные зависимости tg δ трансформаторного масла от Е. Измерительное устройство в этих экспериментах было выполнено таким образом, чтобы до напряженностей 200 кВ/см не возникало частичных разрядов (чувствительность устройства 0,1 пКл), способных исказить результаты. Очевидно, что повышение как температуры, так и содержания влаги приводит к возрастанию tg δ при меньших напряженностях поля.
