Процессы в многослойном диэлектрике

В изоляционных конструкциях очень часто применяются комбинации диэлектриков, сочетание которых позволяет получить наиболее благоприятные свойства.

Очень большое распространение получила слоистая изоляция, в состав которой входят волнистые материалы типа бумаги (кабели, конденсаторы, трансформаторы и т.д.).

Ухудшение качества слоистой изоляции происходит путём однородного изменения свойств одного или нескольких слоёв, тогда как характеристики остальных слоёв остаются практически неизменными. Это приводит к неоднородности диэлектрика и опредёленному характеру изменения его ёмкости и диэлектрических потерь.

- проводимость

- диэлектрическая проницаемость

Рассмотрим простейшую модель неоднородного диэлектрика, состоящего из 2 слоёв, обладающих различными и различными диэлектрическими проницаемостями.

Если площадь диэлектрика равна S, а толщина слоев соответственно и , то ёмкости и проводимости слоев равны:

- абсолютная диэлектрическая проницаемость

- относительная диэлектрическая проницаемость

Допустим, что в результате ухудшения состояния изоляции (например увлажнение) проводимость 1-го слоя резко возрастает, а 2-й слой остался в нормальном состоянии, т.е. ()

Тогда данной модели изоляции можно сопоставить схему замещения:

Рассмотрим переходный процесс в 2-х слойном диэлектрике, связанный с переключением диэлектрика на постоянное напряжение.

В момент t=0 (замыкание) распределение напряжения между слоями будет определяться только их ёмкостями:

Причём на обкладках обоих конденсаторов будут находиться одинаковые заряды:

Если источник, к которому подключается диэлектрик, достаточной мощности, то заряд q будет сообщён диэлектрику в очень кратковременный промежуток времени, т.е. будет весьма кратковременный всплеск тока.

Вслед за этим начнётся переходный процесс, так как конденсатор - зашунтирован проводимостью большой величины, конденсатор начнёт быстро разряжаться. В конце, ёмкость полностью разряжается и всё напряжение источника U приложено к ёмкости

- постоянная времени

В конце переходного процесса заряд на ёмкости становится:

,

т.е. диэлектрику сообщается дополнительный заряд, который называется зарядом абсорбции

Благодаря этому заряду в электрической цепи появится ток абсорбции:

(1)

Причём

Вывод: при включении неоднородного диэлектрика на постоянное напряжение появляется ток абсорбции, который может быть измерен

1 – однородный диэлектрик

2 – неоднородный диэлектрик

Из уравнения (1) следует, что при увеличении проводимости дефектного слоя возникает амплитуда тока абсорбции и одновременно уменьшается его длительность за счёт уменьшения постоянной времени . Поэтому по осциллограмме тока абсорбции можно составить определённое представление о состоянии изоляции.

На практике измерять ток абсорбции неудобно, так как он мал по величине, а ещё потому, что ему предшествует первоначальный сильный бросок токов заряда , от которого приходится защищать измерительные приборы. Поэтому пользуются другими методами обнаружения явления абсорбции.

Одним из них является метод измерения возвратного напряжения.

Нарисуем схему этого метода:

Та херня (кондёр в кружочке) называется эл. осциллографом ЭО.

В исходном состоянии оба ключа разомкнуты. Замыкаем ключ К1 на достаточно длительное время, чтобы переходный процесс закончился ( будет = 0), размыкаем ключ К1. Кратковременно замыкаем ключ К2, затем измеряем напряжение на изоляции (образце). При замыкании образца накоротко заряженного до напряжения U конденсатор оказывается соединённым параллельно с разряженным конденсатором . В результате накопленный заряд , мгновенно распределяется между слоями, пропорционально их ёмкостям. После размыкания закорачивающего ключа К2, напряжение на всём образце в начале будет равно 0, так как напряжение отдельных слоёв при последовательном соединении компенсируют друг друга. В дальнейшем ёмкость - будет разряжаться через свою проводимость , в то время как напряжение на конденсаторе остаётся практически неизменным. Поэтому измеренное на образце напряжения постепенно возрастает, а затем очень медленно падает до нуля (за счёт того, что слой 2 всё же имеет, хоть малую, но конечную проводимость).

Если есть дефект изоляции, то ЭО зафиксирует:

Показателем ухудшения изоляции является скорость возрастания напряжения, которая повышается с ростом проводимости первого слоя. Амплитуда возрастания напряжения зависит от соотношения ёмкостей слоёв. Чем больше толщина дефектного слоя 1, тем больше ёмкость → больше амплитуда возвратного напряжения, таким образом амплитуда возвратного напряжения является показателем степени распространения дефекта в глубь изоляции, а скорость его нарастания – показателем степени ухудшения изоляции.

Измерение и ёмкости для профилактики изоляции.