Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 314

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

■РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

РАЗРЯД В ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ II ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ

ГЛАВА VI. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА

ВЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

^6.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОВОДІШОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Жидкие диэлектрики по многим своим свойствам близки к твердым диэлектрикам и существенно отличаются от газов. Так, теплоемкость жидких диэлектриков значительно ближе к теплоемкости твердых диэлектриков. Вязкость жидкости заметно убывает с ростом темпера­ туры (у газов она возрастает). Ряд явлений вблизи точки плавления твердых тел указывает на аналогию поведения жидких и твердых ди­ электриков. Жидкие.и твердые диэлектрики относятся к сильно кон­ денсированным системам, в которых важную роль играют силы молеку­ лярного взаимодействия.

Несмотря на сходство, между ними имеются и глубокие различия. В твердом теле (в монокристалле) имеется так называемый дальний порядок в структуре, т. е. элементы кристалла периодически повто­ ряются в объеме на неограниченном протяжении. В жидкости суще­ ствует только ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение имеет лишь небольшая группа молекул в пределах нескольких межмо­ лекулярных расстояний, а дальше этот порядок уже не распространя­ ется, причем области порядка и беспорядка благодаря тепловому дви­ жению молекул постоянно перемещаются. В жидкости имеются сво­

бодные

объемы, доля которых при обычных температурах доходит

до 0,5%

от объема жидкости. Наличие свободных объемов допускает

возможность не только колебательного, но и поступательного движе­ ния молекул в жидкости.

В технике высоких напряжений наибольшее применение имеют минеральные масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), касторовое масло, а также хлорированные (трихлордифенил, пентаіхлордифенил и др.) и кремнийорганические жидкие диэлектрики. Основные их характеристики приведены в табл. 6.1. Из перечисленных диэлектриков минеральные масла и кремнийорганические диэлектрики являются неполярными жидкостями (e*=e/e0=2-f-2,5), а касторовое

4*

99

масло и хлорированные диэлектрики — полярными жидкостями (е* = 4+ 5,5). Все эти жидкости обладают заметной удельной проводи­ мостью (10~10+ 1 0 “10 І/ом-см), которая существенно зависит от степени их очистки.

Т а б л и ц а 6.1

 

 

Кинем атнчес-

 

Относи­

 

Удельная

 

 

кая вязкость,

Температура

tg Ö-1 О4

 

Плотность,

сап

тельная

проводи­

Название

 

 

плавления

днэлектрн-

при

мость при»

г/см‘

при

при

или

ческая

2б°С,

100°С

 

 

застьшапия,

проницае­

50 гц

у - 10‘8,

 

 

20°С

50°С

°С

мость при

 

I /ом-см

 

 

 

 

 

20°С, 50 гц

 

 

Трансфор­

 

 

 

 

 

 

 

маторное

 

 

 

 

 

 

 

масло . . .

0,864-0,89

30

9,6

—(404-45)

2,14-2,2

104-20

0, 14- 1

Конденса­

0,864-0,87

374-45

94-12

-(404-45)

2,14-2,2

14-2

0,034-0,1

торное масло

Вязкое ка­

 

 

 

 

 

 

 

бельное мас­

0,94-0,91

800

50

—30

2,14-2,2

14-2 0,034-0,1

ло С-220 . .

Калорня-2

0,92-f-0,95

75

16

Ниже —60

2,24-2,4

24-5

0,03

Касторо­

0,954-0,97

 

17

—(154-17)

4,24-4,7

10-+15

50

вое масло

 

Трихлор-

1,39

 

104-15

-(184-35)

4,8

54-10

2

днфенил . .

 

Пента-

1,54

2004-350 454-80

+ (5т-6)

4,6

5+10

0,3-г-Э

хлорднфенил

64% пен-

 

 

 

 

 

 

 

тахлордифе-

 

 

 

 

 

 

 

нила+ 36%

 

 

 

 

 

 

 

»■рихлорбен-

1,51

15

 

—35

4,3

5-f-lO

• 14-10

вола . . . .

—

 

 

 

 

 

 

 

Можно выделить следующие виды проводимости жидких диэлектри­ ков: 1) и о н н а я — вызывается перемещением ионов, которые обра­ зовались как в результате диссоциации основных молекул жидкости или примесей, так и вследствие ионизационных процессов в жидко­ сти; 2) к а т а ф о р е т и ч е с к а я — вызывается перемещением кол­ лоидных заряженных частиц в жидкости; 3) э л е к т р о н н а я — вызы­ вается перемещением электронов, возникающих в жидкости вследствие ионизационных процессов.

§ 6.2. ИОННАЯ И КАТАФОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

а. Ионная проводимость

Ближний порядок расположения частиц в жидких диэлектриках приводит к тому, что каждая частица большую часть времени находит­ ся в области, соответствующей минимуму потенциальной энергии (на рис. 6.1 — пунктирная кривая а), и тепловое движение ее в этом состоянии сводится к колебаниям около центра равновесия с частотой

100

ѵ=10іаЧІО13 гц, причем с увеличением температуры увеличиваются частота и энергия колебаний hv~/iT.

Как для ионов, так и для молекул в жидкости имеется ощутимая вероятность приобретения энергии за счет теплового движения, доста­ точной для перемещения на расстояние, соизмеримое с размерами мо­ лекул или ионов. Необходимая для такого перемещения энергия ак­ тивации определяется высотой потенциального барьера Wa между двумя квазиустойчивыми положениями / и 2 (см. рис. 6.1). При этом

вероятность

приобретения

частицей

 

 

 

 

за счет теплового

движения энергии

 

 

 

 

 

Wa составляет

exp (—WjkT).

 

 

 

 

Каждая жидкость в той или иной

 

 

 

 

степени диссоциирована и

содержит

 

 

 

 

определенное количество ионов в еди­

 

 

 

 

нице

объема.

Степень диссоциации

 

 

 

 

(отношение

числа диссоциированных

 

 

 

 

молекул /?„ к общему числу молекул

Рис. 6.1. Схематическое нзображе-

п в единице объема) зависит от диэлек­

трической

проницаемости

жидкости.

ние

зависимости

потенциальной

энергии

\Ѵ от координаты х:

Полярные

жидкости всегда диссоци­

а — при отсутствии электрического по­

ированы

более

сильно.

Например,

ля;

б — при

наличии

электрического

для

трансформаторного масла n jn —

поля (\Ѵ — потенциальный барьер)

 

 

 

 

= ІО-11, для

касторового n jn = ІО-8.

 

поля

ионы

и молекулы

При

отсутствии внешнего

электрического

в жидкости движутся хаотически. В среднем можно принять, что вдоль каждой из трех взаимно перпендикулярных осей движется п„/3 ионов, причем из положения 1 в положение 2 (как и из положения 2 в поло­ жение /) перемещается n j 6 ионов.-Считая, что при каждом колебании ион совершает попытку перескочить в соседнее квазиустойчивое поло­ жение, получим число перемещений ионов в заданном направлении, совершаемых в единицу времени, из положения 2 в положение 1 (п31), и наоборот (/г12). равным

/г2і = п12 = (nH/6)v exp (—W jkT).

(6.1)

При наложении электрического поля с напряженностью Е проис­ ходит смещение распределения потенциальной энергии. Изменение потенциальной энергии частицы с зарядом qa при перемещении ее на расстояние х за счет внешнего поля в направлении напряженности этого поля составляет

AWx = - q nEx.

(6.2)

Изменение потенциальной энергии частицы в зависимости от х иллюстрируется кривой б на рис. 6.1. При наложении электрического поля величина я12 для случая, показанного на рис. 6.1, становится больше я2і, причем число избыточных перескоков в единицу времени в направлении электрического поля

Ап =

= -^ V е* р , - 5 ™ 2)-ехр ( - Ь # М ) ; , (6.3)

где AW = qnE8\ б — расстояние между двумя квазиустойчивыми по­ ложениями 1 и 2.

При малых напряженностях поля приращение потенциальной энергии значительно меньше энергии, связанной с тепловым движе­

 

 

нием: AW<^kT.

В этом случае

из

 

 

(6.3) имеем

 

 

 

«7

 

 

 

 

 

 

>іпд„бЕѵ,

 

(6'4)

 

 

 

А п ■

6kT

ехР ( — / # ) •

 

 

Направленная вдоль поля средняя

 

 

скорость

перемещения

ионов

 

 

 

 

V ,. =

Д/2(5

<7„62£ ѵ

exp

— En

(6.5)

 

 

-----= ----------

 

 

"

п„

 

6ІгТ

 

 

kT

 

 

 

 

подвижность

ионов

 

 

 

 

 

 

 

 

'и __<7HÖ-V .

exp( — ■&)•

(6'6^

 

 

 

 

 

6kT

 

 

Подвижность как положительных,

 

 

так и отрицательных ионов или групп

 

 

помов в слабых полях для минераль­

 

 

ного масла имеет

величину порядка

 

 

К„та10-4 см'Ісек-в. В сильных

полях

 

 

подвижность

отрицательных

ионов

Рис. 6.2. Зависимость удельного

заметно

возрастает

и

достигает

ве­

объемного сопротивления р^оттем-

личины

К(Т2

=\0~3см2 сек-в.

 

 

пературы f С для некоторых жид­

Удельная

объемная

проводимость

ких диэлектриков:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ — трансформаторное масло, тщательно

7 = «.і<?Дп: 'М ‘^

ехР ( ~ W

 

 

очищенное; 2 — трансформаторное мас­

 

 

ло, очищенное; 3 — вазелиновое

масло;

 

 

 

6kT

 

 

 

 

4 — трансформаторное масло, промыш­

 

 

 

 

 

 

 

(6.7)

ленное; 5 — касторовое масло; 6 — совол

 

 

 

 

 

 

 

Формула (6.7) может быть также представлена

в виде

 

 

 

у = (А/Т)ехр(—В/Т),

 

 

 

(6.8)

где А и В —константы,

практически не зависящие

от температуры.

Экспериментальные зависимости

удельного сопротивления рг= 7 т

от температуры для некоторых жидких диэлектриков представлены на рис. 6.2.

В небольшом интервале температур зависимость у от температуры

может быть также представлена в виде

 

V=Vo exp [а (t — /0)],

(6.9)

где уо— проводимость при температуре t0\ а — температурный коэффи­ циент увеличения проводимости; например, для минерального масла а=0,04-^0,05 1/°С.

Для ряда жидких диэлектриков проводимость тесно связана с вяз­

костью г)в, которая зависит от температуры:

 

Чв =(6^Т/б3ѵ) exp (WJkT).

(6.10)

102

Смотрите также файлы