§ 39. Способы измерения электрических характеристик диэлектриков
Как было указано выше, удельное сопротивление является основной электрической характеристикой всякого электротехнического материала (проводникового, электроизоляционного и полупроводникового). Оно вычисляется по формуле, известной из электротехники,
(26)
У проводниковых материалов (металлические проводники) удельное сопротивление определяется наиболее просто. Для этого берут отрезок проволоки (см. рис. 12), имеющий площадь поперечного сечения S и длину /. Измерив общее сопротивление этого отрезка, вычисляют значение удельного электрического сопротивления по формуле (26).
Для измерения удельного сопротивления проводников принята единица ом-мм-1м. Единицей измерения удельного сопротив-
ления электроизоляционных материалов является омсантиметр (ом-см) . Эта единица в 10000 раз больше ом- мм.2 / м, т. е.
Рис. 66. Принципиальная схема установки для измерения тока объемной электропроводности диэлектрика
1 ом-см= 10 000 ом-мм2/м. Величину удельного объемного сопротивления q„ электроизоляционных материалов определяют посредством измерения тока, протекающего через заданный объем испытуемого образца диэлектрика.
Рис. G7. Образец твердого диэлектрика с тремя электродами для определения удельного объемного сопротивления:
1 — нижний электрод, 2 — верхний электрод, 3 — кольцевой электрод, 4 — образец диэлектрика
Принципиальная схема установки для измерения тока объемной проводимости диэлектрика представлена на рис. 66. Здесь напряжение U подводится к нижнему 1 и верхнему 2 металлическим электродам, плотно прилегающим к поверхности образца твердого диэлектрика. В качестве образцов используют диски диаметром от 50 до 100 мм или пластины квадратной формы со сторонами 50 и 100 мм. Толщина образцов может колебаться от нескольких сотых миллиметра (пленки) до нескольких миллиметров (пластмассы, керамика и др.).
Кроме нижнего электрода 1 и верхнего 2, образец диэлектрика снабжают еще кольцевым (охранным)* электродом 3 (рис. 67). С помощью этого электрода и провода а (см. рис. 66) ток поверхностной утечки отводится от гальванометра Г, так как для вычисления удельного объемного сопротивления необходимо измерить только ток объемной электропроводности Iv.
Этот ток определяют при приложении к электродам 1 и 2 постоянного напряжения U, которое измеряют при помощи вольтметра V. По измеренным значениям U и Iv вычисляют общее сопротивление части материала Rv, ограниченной электродами / и 2.
*Охранным электрод называется потому, что с его помощью ток поверхностной электропроводности отводится от гальванометра, т. е. этот электрод «охраняет» гальванометр от попадания в него тока поверхностной электропроводности.
Общее объемное сопротивление образца диэлектрика подсчитывается согласно закону Ома
Затем вычисляют удельное объемное сопротивление диэлектрика по формуле
(27)
где S — площадь верхнего электрода, см2;
h — толщина диэлектрика, см, через которую проходит ток объемной электропроводности.
Значения удельного объемного сопротивления у электроизоляционных материалов находятся в пределах:
Рис. 69. Образец твердого диэлектрика с концентрически расположенными верхними электродами
Второй электрической характеристикой диэлектриков является удельное поверхностное сопротивление qs.
Рис. 68. Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной электропроводности диэлектрика
В системе единиц СИ за единицу удельного объемного электрического сопротивления принят ом-м (омметр). Омсантиметр является частью, т. е. дольной единицей от омметра: 1 ом.м=100 ом-см.
Оно определяется на тех же образцах материалов, что и удельное объемное сопротивление, по в качестве охранного электрода используется нижний электрод 1 (рис. 68).
Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной электропроводности на образце диэлектрика с концентрически расположенными электродами 2 и 3 показана на рис. 68. В этой установке гальванометр Г измеряет токи, протекающие по поверхности диэлектрика (в кольцевом слое) от электрода 1 к электроду 2 (см. рис, 69). Токи же объемной утечки поступают на нижний электрод и отводятся от гальванометра по проводу а.
При помощи вольтметра V измеряют напряжение между электродами 1 п 2 (см. рис. 68).
Здесь также вначале подсчитывают величину общего поверхностного сопротивления Rs кольцевого слоя между концентрически расположенными электродами 1 и 2 (по закону Ома)
Величина же удельного поверхностного сопротивления подсчитывается по общей формуле
Длина пути утечки тока по поверхности диэлектрика будет равна ширине зазора между электродами 1 и 2, т. е.
(28)
Вместо сечения S здесь приходится пользоваться условным сечением S' — длиной окружности электрода 2, из каждой точки которой начинают протекать токи поверхностной электропроводности. Вместо длины окружности электрода 2 можно взять длину внутренней окружности электрода 3, но, чтобы уменьшить ошибку, в качестве условного сечения берут длину средней окружности, диаметром
. Тогда величина условного сечения S' (длина средней окружности) будет равна
(29)
Подставляя найденные величины в (26), получим выражение для подсчета удельного поверхностного сопротивления
(30)
Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков находится в пределах
У проводниковых и полупроводниковых материалов измеряется только общее удельное сопротивление (q), так как у этих материалов нельзя разделить токи объемной и поверхностной электропроводности, а следовательно, нельзя вычислить отдельно удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления. Это объясняется повышенной проводимостью этих материалов.
Диэлектрическая проницаемость е данного диэлектрика определяется из величины емкости Сх конденсатора, имеющего этот диэлектрик. В большинстве случаев для этого измерения используют плоский конденсатор (рис. 70).
Электрическую емкость (Сх) конденсатора с испытуемым диэлектриком измеряют при помощи моста переменного тока (рис. 71), состоящего из четырех плеч: 1—2; 1—4\ 2—3; 4—3.
К мосту переменного тока подводится переменное напряжение (частотой 50 Гц) от однофазного трансформатора Тр, один из выводов которого заземлен. Соответственно заземлена точка 3 моста. Исследуемый образец Сх диэлектрика включается в плечо (ветвь) 1—2 моста. В противоположной ветви 1—4 моста включен образцовый воздушный конденсатор С0. Два разрядника Р, подключенные к точкам моста 2 и 4, предназначены для отведения в землю токов в случае пробоя испытуемого диэлектрика Сх или в случае пробоя образцового конденсатора С0.
Рис. 71. Принципиальная схема моста переменного тока: сх — испытуемый диэлектрик, С0 — образцовая емкость (воздушный конденсатор), Яз — изменяемое (регулируемое) сопротивление. Р4 — постоянное сопротивление
Рис. 70. Плоский конденсатор: 1 — диэлектрик, 2 — электрод
Работа на мосте переменного тока сводится к подбору регулируемых сопротивлений R3 и емкости С4 при которых наступит равновесие моста и ток не будет протекать через вибрационный гальванометр ВГ.
Он будет показывать нуль.
При достигнутом равновесии моста искомая величина емкости вычисляется по формуле
(31)
где С0 — емкость образцового (воздушного) конденсатора,
|» — регулируемая емкость, ВГ — вибрационный гальванометр (индикатор равновесия моста), Р — безвоздушный разрядник, Тр — однофазный трансформатор
R3 — переменное (регулируемое) сопротивление, оформленное в виде магазина проволочных сопротивлений, ом;
R4 — образцовое (постоянное) проволочное сопротивление,
10000 , равное ом (я=3,14).
Я
По найденной величине емкости Сх и известным величинам площади центрального электрода S и толщины диэлектрика h подсчитывают диэлектрическую проницаемость е электроизоляционного материала
(32 )
где е0=8,85416-10-2 пф/см= 8,85• 10-2 пф/см (электрическая постоянная) ; h — толщина диэлектрика, см;
S — площадь диэлектрика (см2), находящаяся под электродом.
Тангенс угла диэлектрических потерь (tg б) есть электрическая характеристика, с помощью которой определяется активная мощность (диэлектрические потери) в электроизоляционном материале, работающем под переменным напряжением.
Тангенс угла диэлектрических потерь (tg б) измеряют на том же мосте переменного тока (рис. 71). При достигнутом равновесии моста величину tg 6 вычисляют по формуле, согласно которой tg 6, численно равен величине регулируемой емкости С4 моста, т. е,
где С4 — величина образцовой емкости в мосте переменного тока, при которой достигнуто равновесие моста.
Так, если равновесие моста было достигнуто при С4 = 0,02 ф, то тангенс угла диэлектрических потерь у этого электроизоляционного материала равняется tg 6=0,02.
Электрическая прочность (EПр)—электрическая характеристика, с помощью которой оценивается способность электроизоляционного материала противостоять разрушению его электрическими силами, т. е. пробою. Как известно из предыдущего, электрическая прочность электроизоляционного материала (при пробое в равномерном поле) вычисляется по формуле
(33)
где t/np — величина приложенного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, измеряемая в киловольтах, кВ\ h — толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.
Рис. 72. Образцы твердых диэлектриков для измерения электрической прочности
Рис. 73. Образец твердого диэлектрика со сферическими электродами для измерения электрической прочности
Для точного определения электрической прочности твердых диэлектриков применяют образцы со сферическими выемками (рис. 72), которые делаются для того, чтобы создать равномерное электрическое поле в наиболее тонком месте испытуемого образца. Поверхность выемок предварительно металлизируется или покрывается слоем графитовой краски, чтобы создать плотное соприкосновение металлических электродов 2 и 3 с испытуемым образцом 1 (рис. 73). В ряде случаев выемки имеют форму цилиндров, в которые вставляются электроды цилиндрической формы.
Рис. 74. Перекрытие твердого диэлектрика в воздухе:
1 — металлические электроды, 2 — диэлектрик
Из-за небольшой электрической прочности воздуха (EПр~3 кВ/мм) образец твердого диэлектрика, как правило, не удается довести до пробоя в воздухе, вследствие его поверхностного перекрытия искровым разрядом (рис. 74). Поэтому пробой образцов твердых диэлектриков производят в среде какого-либо жидкого диэлектрика, например, изоляционного масла, так как масло обладает значительно большей электрической прочностью по сравнению с воздухом. Для этого испытуемый образец 7 (рис. 75), зажатый между двумя металлическими электродами 5 и 6, погружают в сосуд с жидким диэлектриком. К электродам подводят переменное напряжение от трансформатора Тр испытательной установки. С помощью регулирующего устройства (автотрансформатора) 2 напряжение, приложенное к испытуемому образцу диэлектрика, плавно повышают до наступления пробоя.
Рис. 75. Схема установки для определения электрической прочности диэлектриков
Момент пробоя диэлектрика сопровождается резким падением напряжения, отмечаемым по вольтметру V. Одновременно наблюдается сильное возрастание тока, показываемое амперметром А, включенным в первичную цепь трансформатора Тр. Для ограничения тока в момент пробоя в испытательную цепь установки включается большое сопротивление 4 и реле максимального тока 3. Последнее выключает установку при возрастании тока в момент пробоя диэлектрика. Включается установка с помощью рубильника 1. Для обеспечения наиболее точной величины электрической прочности данного диэлектрика производят 5—6 пробоев данного материала и вычисляют среднюю арифметическую величину Eпр.
Пробой жидких диэлектриков производят в стандартном пробойнике (рис. 76), представляющем собой фарфоровый сосуд 1, в стенках которого закреплены друг против друга латунные стержни 2 с дисковыми латунными электродами 3 диаметром 25 мм.
Рис. 76. Пробойник для измерения электрической прочности жидких диэлектриков
Для создания между электродами равномерного электрического поля края электродов закруглены по радиусу 2 мм. Электроды отстоят один от другого на расстоянии 2,5 мм. Таким образом, при измерении электрической прочности жидких диэлектриков пробивают слой электроизоляционной жидкости толщиной в 2,5 мм, находящейся между двумя электродами, оси которых совпадают.
Рис. 77. Аппарат для испытания жидких диэлектриков на пробой:
I—застекленное отверстие для наблюдения за пробоем жидкого диэлектрика, 2— крышка, 3— металлический кожух аппарата, 4 — ручка от регулирующего автотрансформатора, 5 — ролики для передвижения аппарата, 6 — шланговый пропой для включения аппарата в сеть
Во избежание искажения электрического поля расстояние от электродов до стенок и дна сосуда пробойника должно быть не менее 15 мм. Толщина слоя испытуемой электроизоляционной жидкости над электродами также должна быть не менее 15 мм. В описываемый стандартный пробойник заливают 0,5 л испытуемой жидкости, которой дают отстояться в течение 10 мин (не менее).
Пробойник с залитой в него электроизоляционной жидкостью включают в сеть высшего напряжения испытательного трансформатора (см. рис. 75). После этого плавно повышают напряжение до момента пробоя жидкого диэлектрика.
В момент пробоя отмечается напряжение по вольтметру. Момент пробоя сопровождается треском и появлением между дисковыми электродами светящейся искры. Светящуюся искру обычно наблюдают через застекленное отверстие 1 в крышке 2 специального аппарата (рис. 77), в котором производят пробой жидких диэлектриков. В металлическом кожухе 3 этого аппарата помещается трансформатор, пробойник и регулирующее устройство (автотрансформатор). Ручка 4 от регулирующего автотрансформатора выведена наружу кожуха.
Всего производят 5—10 пробоев данной электроизоляционной жидкости. После каждого пробоя жидкость в пробойнике перемешивают чистой стеклянной палочкой, а затем ей дают отстояться в течение 5 мин (для трансформаторного масла). Во время отстоя из электроизоляционной жидкости удаляются пузырьки воздуха (газов), наличие которых приводит к понижению электрической прочности жидкого диэлектрика. Из нескольких пробоев одной и той же пробы жидкого диэлектрика, залитого в пробойник, вычисляют среднее арифметическое значение электрической прочности. Это значение Епр является характеристикой, определяющей электрическую прочность данной электроизоляционной жидкости.
Порядок подготовки электроизоляционной жидкости к пробою и количество пробоев, необходимых для вычисления средней величины электрической прочности, устанавливаются в технических условиях или в ГОСТе на данную электроизоляционную жидкость.
