Монтаж, эксплуатация и ремонт сельскохозяйственного электрооборудования - Сопротивление изоляции

В природе нет такого вещества, которое не проводило бы электрический ток в той или иной мере. Электропроводность материала зависит от его агрегатного состояния.


Рис. 3. Зависимость тока утечки в газах от напряжения.

Рис. 4. Изменение тока в диэлектрике в зависимости от времени приложения постоянного напряжения.
Электропроводность газов объясняется кинетической теорией газов, по которой все свободные электроны и ионы находятся в непрерывном движении вследствие хаотического характера теплового движения. При этом отсутствует направленный перенос электрических зарядов и эффект тока.
Приложенное напряжение создает направленное движение свободных зарядов — электрический ток, ток утечки. Таким образом, электропроводность газов носит смешанный характер — электронный и ионный. В слабых электрических полях ток утечки очень мал и пропорционален напряженности, число направленных зарядов (с учетом рекомбинации) растет с увеличением приложенного напряжения.
При соответствующем напряжении рекомбинация зарядов прекращается и все образовавшиеся заряды достигают своих электродов, наступает насыщение — ток перестает зависеть от напряжения (при данной интенсивности ионизации). Значительное увеличение приложенного напряжения до критического приводит к известному явлению ударной ионизации, появлению большого числа свободных электронов, что сопровождается резким увеличением тока утечки в газе (рис. 3). Для воздуха плотность тока насыщения составляет примерно 10~23 А/м², а напряжение ударной ионизации — 1000 кВ/м, таким образом, воздух — довольно хороший диэлектрик.
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул и в значительной степени зависит от примесей в диэлектрике (вода, кислоты и т.д.), особенно для неполярных жидкостей. Ток в жидкости обусловливается как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Очистка жидких диэлектриков (в том числе и электрическая) заметно уменьшает их электропроводность. Полярные жидкости имеют повышенную электропроводность по сравнению с неполярными, а сильнополярные рассматриваются даже как проводники с ионной проводимостью.
Ионный характер электропроводности жидкостей заключается в переносе электрическим полем ионов, образовавшихся вследствие частичной диссоциации основных молекул жидкости. Нейтральные молекулы подвержены диссоциации меньше, чем полярные. Поэтому диэлектрики с малой диэлектрической проницаемостью имеют меньшую, чем диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью, электропроводность. Например, удельная проводимость неполярного масла составляет примерно 10-8 Ом-1-см-1. Электропроводность любой жидкости значительно (почти экспоненциально) зависит от температуры, так как при этом уменьшается вязкость, может увеличиваться степень тепловой диссоциации и возрастает подвижность ионов.
Зависимость тока утечки от напряженности поля у чистых жидкостей такая же, как и у газов (рис. 3). Для жидкостей, имеющих примеси, отсутствует участок насыщения. При значительных напряженностях поля в недогазированных жидкостях увеличение тока происходит за счет ударной ионизации газа, растворенного в жидкости.
Электропроводность твердых тел определяется передвижением ионов как самого диэлектрика, так и его примесей. Для твердых диэлектриков характерна зависимость протекающего через них тока утечки от времени приложения постоянного тока. Ток после включения диэлектрика под напряжение с течением времени в зависимости от свойств материала уменьшается и достигает установившегося значения (рис. 4). Часть тока, спадающего со временем (абсолютная разница между начальным и конечным током утечки), называют током абсорбции. Этот ток обусловлен различного вида поляризациями.
При поляризации происходит накопление зарядов в приэлектродном слое, что до известной степени аналогично зарядке конденсатора.
Установившееся значение тока через диэлектрик называется током сквозной проводимости; этот ток создается зарядами, которые движутся сквозь весь диэлектрик и ионизируются у электродов.
По току сквозной проводимости оценивается проводимость диэлектрика. Сопротивление диэлектрика RCK определяют по формуле
где U — приложенное напряжение; I — наблюдаемый ток; Ип—1абс — сумма токов, вызванных дипольной, структурной и межслоевой поляризациями; /с к— ток сквозной проводимости.
Токи электронной и ионной поляризации в связи с кратковременностью протекания не могут быть измерены обычными измерительными приборами и поэтому в формулу не входят.
Поскольку абсорбционные токи изменяются во времени, для удобства сравнения сопротивление диэлектрика рассчитывают как частное от деления напряжения на силу тока, измеренную через 60 с после включения напряжения. Полученное значение сопротивления всегда несколько ниже истинного значения.
Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности используют значения удельного сопротивления (удельное объемное qv и удельное поверхностное qs) и проводимости:

Удельное объемное сопротивление qv (Ом-м) равно сопротивлению куба с ребром 1*10-2 м, если ток проходит через две противоположные грани этого куба; в плоском образце материала при однородной поле удельное объемное сопротивление определяют из выражения

где Rv — полное объемное сопротивление образца [4] (рис. 5, a); S — площадь электрода, см²; h — толщина диэлектрика, см.
Удельное поверхностное сопротивление qs (Ом) равно сопротивлению квадрата при прохождении тока через две противоположные стороны этого квадрата (рис. 5,6).
Удельное поверхностное сопротивление определяют из выражения

Рис. 5. Схемы измерения удельных сопротивлений изоляции: а — объемного; б — поверхностного.

где Rs — полное поверхностное сопротивление образца изоляции между параллельно поставленными электродами длиной h, отстоящими друг от друга на расстоянии I (рис. 5, б).