ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Отличительным свойством диэлектриков, используемых в элек­троизоляционной технике, является очень слабая способность прово­дить электрический ток. Низкая электропроводность диэлектриков обусловлена тем, что при обычных условиях (ограниченной температу­ре и напряженности электрического поля) в них имеется весьма малое количество носителей заряда по сравнению с проводниками и полупро­водниками. По своему характеру электропроводность диэлектриков яв­ляется главным образом ионной.

Под действием приложенного постоянного напряжения через элек­трическую изоляцию проходит ток утечки, который состоит из объем­ного и поверхностного токов утечки. Объемный ток проходит через внутренние области изоляции и обусловлен величиной объемного со­противления электрической изоляции. Поверхностный ток утеч­ки проходит через поверхностные слои изоляции и обусловлен вели­чиной поверхностного сопротивления изоляции R_V . Понятие о по­верхностном сопротивлении вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате воздействия внешних загрязнений, например, влаги, электропроводность наружных слоев изоляции может быть зна­чительно большей по сравнению с проводимостью внутренних областей. В таких случаях низкое значение электрического сопротивления изо­ляции определяется большим поверхностным током утечки.

Для оценки качества диэлектриков с точки зрения их способности, препятствовать прохождению через них электрического тока поль­зуются такими характеристиками как удельное объемное сопротивле­ние ρ_v и удельное поверхностное сопротивление ρ_s, которые являются величинами, обратными удельной объемной проводимости γ_v и удельной поверхностной проводимости γ_s.

При повышении температуры удельные сопротивления электроизо­ляционных материалов уменьшаются. У твердых диэлектриков это явле­ние объясняется главным образом увеличением числа носителей заряда при нагревании. Для ограниченного интервала температур (в пределах, встречающихся на практике) зависимость удельного объёмного сопро­тивления от температуры достаточно точно выражается формулой:

(1.1)

где ρ_Vt - удельное объемное сопротивление при температуре t;

ρ_V0 - удельное объемное сопротивление при температуре 0° С;

α - коэффициент, зависящий от природы материала, характеризующий скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры.

Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от величины приложенного напряжения, уменьшаясь при её возрастании. Зависимость эта обнаруживается при неплотном прилегании электро­дов к поверхности изоляции. Она может появиться у пористых мате­риалов в результате перераспределения влаги в капиллярах под дей­ствием приложенного напряжения, а также в случае образования объ­ёмных зарядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высо­ковольтной поляризации. Следует отметить, что здесь имеются ввиду такие напряжения, величина которых далека от пробивного напряже­ния изоляции.

При определении удельных сопротивлений твердых диэлектриков чаще всего применяют плоские электроды. Образец присоединяют к ис­пытательной установке при помощи электродов, которые должны плотно прилегать к его поверхности. Широкое распространение получили элек­троды из алюминиевой (отожженной) или оловянной фольги толщиной 0,01 - 0,02 мм. Для улучшения контакта фольговые электроды прижи­маются грузом к образцу через мягкую резину или припрессовываются с нагревом. Очень часто применяют фольговые электроды, плотно при­тертые в поверхности образца на вазелине, на трансформаторном, конденсаторном или вазелиновом масле, на кремнийорганической жидкости.

Определение удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений производится обычно на одном и том же образце, снаб­женного тремя электродами. Форма и расположение этих электродов показаны на рисунке 1.1. Верхний дисковый электрод А имеет диаметр D, внутренний диаметр кольцевого электрода В d₂=d₁+ 4 мм. Таким об­разом, зазор между этими электродами составляет 2 мм. Нижний диско­вый электрод С имеет диаметр, примерно равный наружному диаметру кольцевого электрода. При измерении объемною сопротивления образца следует пропускать ток сквозь толщу образца между верхним и нижним дисковыми электродами А и С, а при измерении поверхностного сопро­тивления - через поверхностный слой образца, расположенный в коль­цевом зазоре между электродами А и В.

В принципе измерение этих сопротивлений образцов диэлектри­ков несложно, однако не практике далеко не всегда является делом, так как вследствие большой величины удельных сопротив­лений, особенно в случае высококачественных диэлектриков, в схеме протекают настолько слабые токи, что их измерение оказывается затруднительным.

Рисунок 1.1 – Схема расположения круглых электродов для измерения удельных сопротивлений плоского образца диэлектрика.

Удельные сопротивления диэлектриков принято определять при постоянном напряжении, для чего существуют различные методы. Испытания материалов с удельным объемным сопротивлением примерно до 10¹³ – 10¹⁵ Ом×см. обычно производят с помощью гальванометра спо­собами непосредственного отклонения, заряда конденсатора и сравне­ния. Для исследования диэлектриков с более высокими характеристиками чаще всего применяют ламповые. электрометры.

Устройство установки. Схемы для определения электрических со­противлений твердых диэлектриков показаны на рисунке 1.2. Здесь 1, 2, 3 – электроды; 4 – исследуемый образец диэлектрика; 5 – источник высокого напряжения; 6 – токоограничивающее сопротивление (не менее 1 МОм); 7 – шунт гальванометра; 8 – гальванометр.

Ток от источника высокого напряжения (ИВН) пропускается через толщу образца между нижним электродом 3 и верхним электродом 1 при измерении R_V и между электродами 1 и 2 при измерении R_S.

В первом случае охранным электродом служит электрод 2, во втором - электрод 3. Назначение охранных электродов в том, что они исклю­чают при измерении R_V влияние R_S и, наоборот, при измерении R_S - влияние R_V.

Шунт 7 служит для расширения пределов измерения гальваномет­ра 8. Различным положениям переключателя шунта соответствуют шунтовые числа 1/п. Шунтовое число показывает, какая доля тока, про­текающего через образец, ответвляется в гальванометр.

Резистор R, предназначен для ограничения тока в цепи при пробое образца во избежание повреждения гальванометра. Отсчёт по­казания гальванометра производят через 1 мин после замыкания цепи. Дело в том, что как объемное, так и поверхностное сопротивление образца при постоянном напряжении определяют по сквозному току утечки, обусловленному нейтрализацией электрических зарядов на электродах. Но в начале действия напряжения на сквозной ток накла­дывается постепенно спадающий до нуля ток абсорбции, обусловленный перемещением зарядов, не нейтрализующихся на электродах (в частно­сти, при замедленных видах поляризации). Обычно ток абсорбции зату­хает практически в пределах одной минуты. По этой причине, а также для получения сравнимых результатов при различных испытаниях усло­вились фиксировать ток при определении удельных сопротивлений диэлектриков ровно через одну минуту после подачи напряжения на обра­зец.

Задание на работу. Измерить R_V и R_S и рассчитать и ρ_v и ρ_s для различных электроизоляционных материалов (бумага, картон, гетинакс, текстолит и др.) по указанию преподавателя. Сравнить получен­ные результаты и объяснить, почему удельные электрические сопротив­ления указанных материалов отличаются друг от друга.

Порядок проведения работы:

1. Собрать схему для измерения удельного объемного электрического сопротивления ρ_v. (рисунок 1.2а).

2. Ручку шунта поставить в положение, соответствующее наименьшему ( ! ) шунтовому числу 1/n, чтобы гальванометр не вышел из строя вследствие чрезмерного увеличения силы тока.

3. Поместить в рабочую камеру собранную установку и закрыть двери.

4. Включить установку (ИВН), автотрансформатором установить нап­ряжение, на котором будет производиться замер удельного объемного сопротивления (V₂, рисунок 1.2а),

5. Включить автоматический выключатель ИВН, вращая рукоятку авто­трансформатора подать напряжение на образец диэлектрика, отметить замера.

6. Осторожно вывести шунт до получения удобного отсчитываемого отклонения гальванометра: следует отключить установку (!), разрядить высоковольтную обмотку (!), коснувшись заземленной штангой незаземленного вывода обмотки, и передвинуть ручку шунта.

7. Отметить отклонение гальванометра через 1 минуту после подачи напряжения на образец диэлектрика.

8. Подсчитать силу тока I_V , протекающего через гальванометр, по формуле:

(1.2)

где d - отклонение гальванометра, мм;

С_𝜕 - динамическая постоянная гальванометра, А/мм;

n - коэффициент шунтирования (правильная дробь 1/10000 - 1/100 и т.д.).

Такой ток будет протекать в образце. Этот ток является объемным током утечки, так как поверхностный ток утечки с электрода 3 не попадает на электрод 1, потому, что он будет собираться коль­цевым электродом 2, который способствует устранению краевого эф­фекта и тем самым созданию практически однородного электрического поля в образце между электродами 1 и 3.

9. По закону Ома подсчитать объемное электрическое сопротивление образца диэлектрика по формуле

(1.3)

10. Подсчитать удельное объемное электрическое сопротивление по формуле:

(1.4)

где h - толщина образца диэлектрика, см;

S - площадь электрода 1.

Следует заметить, что вольтметр измеряет не только напряже­ние на образце, но и напряжение на гальванометре с шунтом. Однако поскольку сопротивление этого участка цепи слишком мало по сравне­нию с сопротивлением образца, падением напряжения на нем могло пренебречь.

По этой причине потенциал электрода 1 практически равен потенци­алу заземленного электрода 3.

11. Результаты измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

12. Собрать схему (рисунок 1.2б) для измерения удельного поверхност­ного электрического сопротивления ρ_s (его определяют в той же последовательности, что и удельное объемное электрическое сопротив­ление). Электрод 1 опять является измерительным, т.е. остается со­единенным с гальванометром, а электроды 2 и 3 поменялись местами: кольцевой электрод 2 стал высоковольтным, а электрод 3 - охранным. При этом гальванометр измеряет поверхностный ток в кольцевом зазо­ре между электродами 1 и 2, а объемный ток утечки, который мог бы также проходить от электрода 2 к электроду 1, отводится электродом 3 на "землю” и минует гальванометр.

13. Повторить операции, указанные в пунктах 2-7 настоящей работы.

14. Измерить силу тока I_S поверхностной утечки и напряжение U на электродах 1 и 2.

15. Подсчитать поверхностное сопротивление по формуле:

или (1.5)

16. Подсчитать величину удельного поверхностного электрического со­противления диэлектрика по формуле:

(1.6)

где S' - условное сечение электрода, см,

l - длина пути утечки, см.

Для электродов 1 и 2 длина пути утечки тока по поверхности диэлек­трика равна ширине зазора между электродами, то есть . Условное сечение S' в данном случае равно длине средней окружности диаметром . Величину условного сечения подсчитывают по фор­муле:

. (1.7)

Тогда удельное поверхностное сопротивление найдем по формуле:

(1.8)

17. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.2.

а)

б)

Рисунок 1.2 – Схемы для определения электрических со­противлений твердых диэлектриков.