Почему определение электрической прочности стандартизовано

Контрольные вопросы

Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.

2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?

Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).

4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?

Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.

5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.

6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?

, где – длина электрода, – поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: , где Uпр = I * R

7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков

Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей

Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.

Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.

Вопрос. Как зависит электрическая прочность Е_прот толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?

Ответ. При использовании двух слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Е_пр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.

Как работает электрическая изоляция

электрическая изоляция

Юриков П. А. Как работает электрическая изоляция. Москва, «Энергия», 1972.

Показано назначение изоляции в электроустановках. Дана ее классификация. Разобран механизм возникновения абсорбционных и сквозных токов, проходящих через диэлектрики под воздействием приложенного напряжения и потерь энергии в них. Описана измерительная штанга, позволяющая контролировать электрические характеристики изоляции. Освещены основные правила ухода за изоляцией в эксплуатации.
Брошюра рассчитана на электромонтеров, занимающихся эксплуатацией и монтажом электрических сетей, подстанций и электростанций.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗОЛЯЦИИ

Электропроводность диэлектриков. Вещество всех материалов, в том числе и диэлектриков, состоит из молекул, строение которых определяет его главные свойства. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома и которое несет положительный заряд. Вокруг ядра, образуя внешнюю оболочку атома, вращаются электроны. Заряд электрона отрицательный и составляет 1,6-10-19к. В электрически нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. При определенных условиях атомы и молекулы могут терять или присоединять электроны, становясь соответственно положительными или отрицательными ионами. В диэлектрике всегда имеются свободные заряженные частицы: электроны, не связанные с атомами, и ионы. Под действием приложенного напряжения происходит направленное движение заряженных частиц, и через диэлектрик проходит электрический ток. Поскольку в диэлектриках свободных заряженных частиц мало, то ток имеет небольшую величину. Способность диэлектрика пропускать ток называется электропроводностью. Если к диэлектрику приложить напряжение U (рис. 1), то электрический ток может протекать по двум путям: непосредственно через тело самого диэлектрика Iv и по поверхности диэлектрика Is. Прохождение сквозного тока через толщу диэлектрика связано с объемной электропроводностью, а прохождение тока по поверхности диэлектрика — с поверхностной электропроводностью. Электропроводность диэлектрика тем выше, чем больше он содержит свободных заряженных частиц. Для количественных характеристик удобнее вместо объемной и поверхностной проводимостей диэлектриков пользоваться обратными величинами: удельным объемным и поверхностным сопротивлениями. Электропроводность воздуха мала. Она обусловлена свободными электронами и ионами, которые, хотя и в небольшом количестве, но всегда имеются в воздухе. Однако при увеличении напряжения электропроводность воздуха может возрасти и, более того, воздух может даже потерять свои изоляционные свойства. Изменение тока проводимости в воздухе при повышении напряжения показано на рис. 2.

Рис. 1. Токи проводимости через диэлектрик.
1 — электроды; 2 — диэлектрик; 1у — объемный ток; 13 — поверхностный ток.

Рис. 2. Изменение тока через воздух в зависимости от величины приложенного напряжения.
Вначале ток растет в соответствии с законом Ома, т. е. прямо пропорционально напряжению. Начиная с напряжения UH, величина тока остается без изменения, несмотря на увеличение приложенного напряжения. Это происходит потому, что при этом напряжении все электроны и ионы приходят в движение. После напряжения UKp ток стремительно возрастает, поскольку начинается ионизация воздуха: электроны под действием напряжения разгоняются и, сталкиваясь с нейтральными атомами и молекулами, разбивают их на электрон и положительный ион. В результате ионизации в воздухе возрастает количество свободных заряженных частиц, приводящее к резкому увеличению тока. Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена перемещением ионов, которые, двигаясь под действием напряжения, образуют ток сквозной проводимости. С повышением температуры вязкость жидких диэлектриков уменьшается и ток сквозной проводимости растет. Объемная электропроводность твердых диэлектриков обусловлена передвижением ионов и в некоторых случаях свободных электронов. Поверхностная электропроводность существенно зависит от наличия влага на поверхности твердого диэлектрика.

Рис. 3. Накопление зарядов в конденсаторе.
1— металлические обкладки конденсатора: 2 — диэлектрик, разделяющий обкладки.
Поляризация диэлектриков. Любой изолятор может быть представлен в виде конденсатора с двумя электродами 1 и изоляцией между ними 2 (рис. 3). Если между электродами такого конденсатора приложить напряжение U, то в диэлектрике начнется движение заряженных частиц — электрический ток—и в конденсаторе накопится заряд Q, пропорциональный приложенному напряжению:
Q = CU,
где С — коэффициент пропорциональности, называемый емкостью конденсатора.
Количество электричества, накопленное в конденсаторе, состоит из заряда Q0, который сосредоточился бы на его электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Q„, который обусловлен процессами в диэлектрике, разделяющим электроды:
Q — Qo + Qa
Дело в том, что под влиянием напряжения, приложенного к конденсатору, нейтральные атомы и молекулы диэлектрика деформируются: их положительные заряды смещаются в направлении отрицательного электрода, а отрицательные — в направлении положительного (ем. рис. 3). В результате этого в диэлектрике вблизи электродов накапливаются заряды, связывающие (притягивающие) электроды с дополнительным зарядом QA. Накопленные в диэлектрике заряды создают электрическое поле с напряженностью Е, направленное противоположно полю, создаваемому приложенным напряжением U. Деформация молекул происходит практически мгновенно и не сопровождается потерями энергии.
В природе имеются и такие диэлектрики, в молекулах которых и без влияния внешнего электрического поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы называются дипольными , а диэлектрики — полярными. При воздействии на такой диэлектрик электрического поля дипольные молекулы ориентируются: положительно заряженным концом поворачиваются к обкладке с отрицательным зарядом, а отрицательным — к обкладке с положительным зарядом. Это также приводит к увеличению заряда конденсатора. Ориентировка дипольных молекул происходит сравнительно медленно и требует затрат энергии.
Описанные явления называются электрической поляризацией диэлектрика. Степень поляризации диэлектрика, помещенного между электродами, оценивается увеличением заряда конденсатора по сравнению с его величиной в вакууме. Отношение заряда Q конденсатора с каким-либо диэлектриком между обкладками к заряду Qo этого же конденсатора при замене диэлектрика вакуумом называется относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика и обозначается е

Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала может быть выражена так же, как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, в котором роль диэлектрика выполняет вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика больше единицы и только у вакуума равна единице. У газообразных диэлектриков поляризация незначительна и диэлектрическая проницаемость близка к единице, что объясняется большими расстояниями между молекулами. У жидкости с нейтральными молекулами диэлектрическая проницаемость не превышает 2,5, а диэлектрическая проницаемость полярных жидких диэлектриков имеет большую величину. Точно так же нейтральные твердые диэлектрики имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, а полярные — большую.
Диэлектрические потери в изоляции. Если диэлектрик поместить между электродами, к которым приложено постоянное напряжение, то через него будет проходить ток, имеющий три составляющие: 1) ток смещения /см, обусловленный мгновенной поляризацией, связанной с деформацией молекул; 2) ток /абс, вызванный явлением замедленной поляризации, который назы-
вается также током абсорбции; 3) ток сквозной проводимости /пр. Общий ток Iоб, проходящий через диэлектрик, равен сумме этих токов:

Рис. 5. Векторная диаграмма электрических токов в диэлектрике, находящемся под переменным напряжением.
Изменение тока /0б во времени при приложении постоянного напряжения показано на рис. 4. Ток смещения через небольшой промежуток времени прекращается, затем прекращается ток абсорбции и остается лишь ток сквозной проводимости, который будет проходить до тех пор, пока не будет снято напряжение.

Рис. 4. Зависимость величины тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения.
Если же к диэлектрику приложить переменное напряжение, то картина изменения тока будет повторяться каждый полупериод, т. е. сто раз в секунду. Приложенное к диэлектрику напряжение и токи, проходящие в нем, можно изобразить векторами и построить векторную диаграмму (рис. 5). Если в прямоугольных координатах по горизонтальной оси отложить вектор U, изображающий приложенное к диэлектрику напряжение, то вектор тока смещения /см (чисто емкостный ток) будет опережать приложенное напряжение U на 90°. Ток абсорбции является результатом замедленной поляризации диэлектрика, при котором имеются потери энергии в диэлектрике, поэтому он содержит реактивную составляющую /абс.р и активную— /абс.а- Вектор реактивного абсорбционного тока будет иметь то же направление, что и вектор тока смещения, поэтому на векторной диаграмме он прибавляется к вектору тока смещения.

Вектор активного абсорбционного тока должен иметь то же направление, что и приложенное напряжение, поэтому на диаграмме он отложен перпендикулярно вектору реактивного тока (/см + /абс.р). Общий ток абсорбции /або является геометрической суммой составляющих активного и реактивного токов. Ток сквозной проводимости /пр (ток утечки) через диэлектрик является активным током, который так же вызывает потери в диэлектрике, как и активный абсорбционный ток. На диаграмме ток проводимости прибавлен к вектору активного абсорбционного тока. Общий ток, проходящий через диэлектрик, является геометрической суммой всех перечисленных токов. На диаграмме вектор общего тока 10о является гипотенузой прямоугольного треугольника ABC. Он сдвинут относительно напряжения на угол ф, который называется углом сдвига фаз. Угол между общим током /0б и реактивным током (/см + /абс.р) обозначают греческой буквой б (дельта). Он дополняет угол ф до 90°. Таким образом, через диэлектрик проходят активный ток /а, состоящий из активной составляющей тока абсорбции /абс.а и тока сквозной проводимости /пр:

и реактивный (емкостный) ток /р, состоящий из реактивной составляющей тока абсорбции /абс.р и тока смещения /см:
Прохождение активного тока через диэлектрик вызывает потери электрической энергии, называемые диэлектрическими потерями. Зная величину активного тока, проходящего через диэлектрик, можно найти мощность Ра, затрачиваемую на нагревание диэлектрика:

Реактивная мощность Яр диэлектрика определяется величиной реактивного тока /р и приложенного к диэлектрику напряжения
Из прямоугольного треугольника ABC векторной диаграммы (рис. 5) следует, что
Если емкость рассматриваемого изолятора равна С, то его проводимость будет wC, где ш = 2ж/; / — частота переменного тока, г if, и величина реактивного тока /р может быть выражена как

Подставив это значение /р в предшествующую формулу, найдем другое выражение для активного тока:

Тогда активная мощность, затрачиваемая на нагревание диэлектрика, получиттакое выражение
Это и есть мощность диэлектрических потерь.
В электроустановках изоляция с постоянной емкостью практически всегда находится под одним и тем же напряжением неизменной частоты, поэтому мощность диэлектрических потерь зависит только от величины tg6.

Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема изоляции.
А, Б — электроды; V — приложенное к изоляции напряжение; С, 1СМ — емкость и ток мгновенной поляризации, не вызывающий потерь электрической энергии в изоляции; Сабс; Яа; 1а6с — емкость, активное сопротивление и ток абсорбции, вызванный замедленной поляризацией; сопротивление и ток сквозной проводимости.
Величина tg6 является электрической характеристикой диэлектрика и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Чем меньше tg6, тем меньше потери энергии в диэлектрике, тем меньше диэлектрик нагревается и надежнее работает. При высоких значениях tg6 большие потери энергии в диэлектрике могут вызвать сильное нагревание диэлектрика и преждевременное его разрушение. Диэлектрические потери в газах при небольших напряжениях очень малы. При повышении напряжения начинается процесс ионизации газа, вследствие чего в газе возникают потери энергии. Нейтральные жидкости также имеют малые диэлектрические потери, которые обусловлены только электропроводностью. В полярных жидкостях потери больше, что объясняется,
кроме электропроводности, наличием замедленной поляризации. Твердые диэлектрики обладают сложным, разнообразным строением, благодаря чему в них возможны диэлектрические потери различных видов, величина которых колеблется в широких пределах. Учитывая три составляющих тока, диэлектрик можно представить в виде эквивалентной схемы на рис. 6, состоящей из трех ветвей. По ветви с емкостью С проходит емкостный ток /см, который не вызывает потерь электрической энергии в изоляции, а ток абсорбции /абс проходит по ветви с последовательно включенными активным сопротивлением Ra и емкостью Сабе. Ток сквозной проводимости /Пр проходит по ветви с сопротивлением RuV. Поскольку общий ток, проходящий через изоляцию представляет собой сумму всех названных токов, ветви в эквивалентной схеме включены параллельно.
Электрическая прочность изоляции. Если постепенно повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то при некоторой его величине проходящий через диэлектрик ток начинает резко возрастать. Это означает, что диэлектрик потерял свои изоляционные свойства и легко пропускает электрический ток; произошел пробой диэлектрика. Напряжение, при котором диэлектрик теряет свои изоляционные свойства, называется пробивным напряжением. Величина напряженности поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью ЕПр при электрической прочностью диэлектрика. В равномерном электрическом поле £пР = UuV/h, где Unр — пробивное напряжение; h — толщина диэлектрика.
В электроустановках для изоляции токоведущих частей различных фаз между собой и от земли широко используется атмосферный воздух. Электрическая прочность воздуха по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков невелика. Например, в равномерном поле слой воздуха толщиной 0,5 см пробивается при напряжении 17 кВ, а слой чистого трансформаторного масла той же толщины — при напряжении около 150 кВ. Электрическая прочность практических воздушных промежутков с равномерным полем при нормальных атмосферных условиях (при температуре 20° С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) составляет около 30 кВ/см. Пробой чистых жидких диэлектриков, например трансформаторного масла, происходит в результате ионизации аналогично тому, как происходит пробой воздуха, однако жидкие диэлектрики гораздо плотнее, чем воздух, поэтому электроны в них между двумя последовательными столкновениями с частицами жидкости пролетают много меньшие расстояния, чем в воздухе. В этих условиях, чтобы разогнать электроны и создать условия для ионизации при столкновениях их с нейтральными частицами, требуется очень сильнее электрическое поле. В результате электрическая прочность жидких диэлектриков оказывается значительно выше прочности воздуха. При наличии примесей воды, воздуха и механических частиц электрическая прочность жидких диэлектриков существенно снижается. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность 4 кВ/мм, в то время как очищенное — 20—25 кВ/мм.

Рис. 7. Зависимость пробивного напряжения от содержания воды в масле. Испытание произведено в стандартном разряднике (Л = 2,5 мм).
Если в жидкости имеется, например, воздух, то под действием сил электрического поля пузырьки воздуха вытягиваются в виде канала между электродами и образуют газовый «мостик», по которому и происходит пробой. Соринки, волокна и другие твердые частицы также могут образовывать мостики, обладающие высокой проводимостью, и снижать электрическую прочность.
Прочность трансформаторного масла особенно сильно снижает влага (рис. 7). Это объясняется тем, что вода в масле находится в виде эмульсии. Под действием сил электрического поля водяные капельки располагаются вдоль силовых линий и образуют цепочки между электродами, по которым и происходит пробой. При увеличении содержания воды в масле свыше 0,02— 0,03% она начинает выпадать на дно бака, поэтому при дальнейшем увеличении содержания воды электрическая прочность трансформаторного масла изменяется мало. Электрическая прочность твердых диэлектриков зависит от их химического строения. Пробой однородных твердых диэлектриков может происходить при напряженности поля около 1 000 кВ/мм.

Однако технические твердые диэлектрики, применяемые в электроустановках, в подавляющем большинстве являются неоднородными и часто содержат воздушные включения. Неравномерное распределение напряжения по толщине такого диэлектрика, возникающее из-за посторонних включений, приводит к снижению электрической прочности, например, у электротехнического фарфора пробой наступает при напряженности порядка 25 кВ/мм. Твердые диэлектрики, имеющие большую электропроводность и диэлектрические потери, в переменных электрических полях могут разогреваться до таких температур, при которых они растрескиваются, обугливаются и теряют свои изолирующие свойства. Такой процесс называется тепловым пробоем диэлектрика. Напряженности электрического поля, при которых развивается тепловой пробой, зависят от условий, определяющих выделение тепла в диэлектрике и рассеяние его в окружающую среду. Большое значение для техники представляет также пробой воздуха вблизи поверхности твердого диэлектрика,— так называемое поверхностное перекрытие. Этот вид пробоя чаще других наблюдается в электрических установках. Дело в том, что во-первых, напряжение поверхностного перекрытия, как правило, значительно ниже, чем пробивное напряжение чисто воздушного промежутка такой же длины, а во-вторых, все изоляторы конструируют таким образом, чтобы их пробивное напряжение было выше напряжения перекрытия по поверхности, поскольку при поверхностных перекрытиях в большинстве случаев они не теряют своей изолирующей способности и могут оставаться в работе. На электрическую прочность диэлектриков существенное влияние оказывает конфигурация электрического поля: равномерное оно или неравномерное. В отличие от равномерного поля, в каждой точке которого напряженность имеет одну и ту же величину, в неравномерном поле напряженность неодинакова: максимальную величину она имеет у электрода с наибольшей кривизной поверхности. Пробивное напряжение диэлектрика в неравномерном поле определяется максимальной величиной напряженности поля. Как только на некоторых участках диэлектрика напряженность поля достигает пробивной величины, диэлектрик на этом участке пробивается, теряет свои изолирующие свойства. После этого все напряжение оказывается приложенным к непробитым участкам диэлектрика, напряженность на них возрастает и они также последовательно пробиваются. Для пробоя диэлектрика в равномерном поле нужно создать пробивную напряженность одновременно на всех участках диэлектрика.
Если в равномерном поле, как уже указывалось, прочность воздуха составляет 30 кВ/см, то в резко неравномерных полях при больших расстояниях между электродами пробой воздуха может происходить при средней напряженности 5— 10 кВ/см и менее. Так как максимальная величина напряженности электрического поля определяет пробивное напряжение диэлектриков, то целесообразно указать на некоторые факторы, которые на нее влияют:
во всех случаях повышение напряжения на оборудовании вызывает повышение максимальной напряженности поля, ибо при этом повышается напряженность на всех участках изоляции;
увеличение расстояния от токоведущих частей оборудования до заземленных в равномерных полях ведет к снижению напряженности. В неравномерных полях увеличение расстояния оказывает малое влияние на величину максимальной напряженности поля;
уменьшение радиуса кривизны частей, находящихся под напряжением, вызывает увеличение максимальной напряженности поля. Напряженность поля у концов острий достигает очень больших значений.
Пробивное напряжение диэлектриков зависит также от формы и длительности приложенного напряжения. Переменное напряжение с частотой 50 Гц, как и постоянное напряжение, относится к числу длительно действующих напряжений. При этих видах напряжения электрические прочности диэлектриков, выраженные в квж&кс/см, практически одинаковы. Другое дело, если к изоляции прикладывается напряжение, имеющее форму кратковременных импульсов. При таких воздействиях электрическая прочность воздушных промежутков возрастает по сравнению с прочностью при переменном напряжении. Прочность трансформаторного масла при импульсах возрастает существенно, и загрязнения на ее величину влияют мало. В силу кратковременности импульсов мостики из загрязняющих примесей образовываться не успевают и электрическая прочность масла сохраняется. Пробой твердых диэлектриков при импульсах носит всегда электрический характер, потому что кратковременность воздействия напряжения не позволяет развиваться тепловому пробою.

Рис. 9. Построение вольт-секундных характеристик.
X — точка разряда; 0 — точка вольт-секундной характеристики.
Разрядное напряжение зависит от формы воздействующего на изоляцию импульса. Для того чтобы можно было сравнивать импульсную прочность различных изоляционных конструкций, испытания их проводят всегда при волнах одной и той же формы, т. е. форма импульса стандартизована. Стандартная волна близка по форме к импульсам грозовых перенапряжений, возникающих при разрядах молнии в электрические установки.

Рис. 8. Форма импульсного напряжения.
Участок волны (рис. 8), на котором напряжение возрастает от нуля до максимального (амплитудного) его значения иж, называется фронтом волны Тф, а участок от точки максимального значения напряжения до точки спада напряжения до половины его максимального значения /7м/2 называется хвостом волны. Оба участка вместе составляют длину волны тв.
Принято измерять Тф и тв в микросекундах. Стандартная волна имеет длину 40 мксек и длину фронта 1,5 мксек. Часто она обозначается как ± 1,5/40. Знак впереди указывает полярность импульса. Если стандартные волны напряжения подавать ;на образец изоляции, постепенно повышая амплитуду волны, то первый разряд при самой низкой амплитуде произойдет на хвосте волны с достаточно большим запаздыванием по времени t (точка а на кривой 1, рис. 9). При увеличении амплитуды волны разряд будет происходить с меньшим запаздыванием по времени: при импульсе 2 он произойдет в точке б; при импульсе 3 — в точке в\ при импульсах 4—7 он произойдет соответственно в точках г—ж. По точкам а\, б[, в], г\, di, е и ж строится зависимость амплитуды разрядного напряжения от времени разряда, называемая вольт-секундной характеристикой изоляции. Каждая изоляция имеет свою вольт-секундную характеристику. Эти характеристики позволяют судить об импульсной прочности той или иной изоляции и сравнивать их между собой.

Пробивное напряжение промежутков стержень

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Согласно Википедии, диэлектрической прочности определяется следующим образом:

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью. Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток.

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:
Максимальная электрическая нагрузка на диэлектрический материал, которую может выдержать без пробоя

Касаемо продуктов LPS Laboratories, особенно очистителей для контактов, мы проверяем сколько вольт требуется, чтобы продукт начал проводить электричество. Визуализировать тест на диэлектрическую прочность таким образом: в емкость наливаем очиститель для контактов, один контакт помещаем в жидкость, второй контакт в жидкость на противоположной стороне емкости, между двумя контактами нет прямого контакта, кроме как через жидкость. Постепенно повышаем напряжение до тех пор, пока напряжение не повысит диэлектрическое сопротивление жидкости, цепь замкнется, и лампочка загорится. Количество вольт, при котором цепь замыкается (электричество проходит между двумя контактами погруженными в жидкость) — это и есть диэлектрическая прочность жидкости. (См. диаграмму ниже).

Почему это важно? Если Вы электрик или техник в энергетике, зная напряжение на очищаемом оборудовании, и зная диэлектрическую прочность очистителя можно быть уверенным в безопасности операции. Например: бытовая розетка находится под напряжением 220 вольт. Для ее очистки требуется очиститель с диэлектрической прочностью более 220В. В линейке LPS есть много очистителей для контактов с диэлектрической прочностью от 9000В до более чем 45 000В. А Вы знаете, какой из очистителей контактов имеет диэлектрическую прочность 47,5 кВ (45 000В)?

Исследование электрических свойств растительной ткани в электромагнитном поле Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ляпин В. Г.

Развита теория и методика измерения электрических свойств растительной ткани, основанная на ее представлении в качестве объекта электроматериаловедения с параметрами: диэлектрические проницаемость и потери, электрические проводимость и прочность и др. Потеря электрических свойств это изменение структуры ткани и потеря функциональных свойств растения, переход его в новое физическое состояние.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research of plant tissue electric properties in electromagnetic field

The author develops the theory and measurement methodology of plant tissue electric properties based on its representation as an object of electromateriology with such parameters as dielectric permeability and losses, electric conductivity and durability, etc. Loss of electric properties is considered to be changing of tissue structure and loss of plant functional properties and its transition into a new physical condition.

Текст научной работы на тему «Исследование электрических свойств растительной ткани в электромагнитном поле»

Содержание полезных элементов в семенах огурца

Группа семян Азот, % Фосфор, % Калий, % Кальций, % Хром, мг/кг Мар- ганец, мг/кг Ни- кель, мг/кг Медь, мг/кг Цинк, мг/кг Строн- ций, мг/кг

Контроль 1,37 2,2 1,88 0,77 39 0,01 33 333 368 68

Исследуемая (ВТО+1) 4,48 2,66 2,06 1,02 41 0,011 33 1478 374 67

Степень повышения количества элементов, % 227 21 9,6 32,5 5,1 10 0 43,8 1,6 -1,5

личество необходимых для развития проростков макро- и микроэлементов в семенах, подвергнутых ВТО совместно с переменным электрическим током, увеличилось в сравнении с контрольными. Данные опыта помещены в таблицу.

Из таблицы видно, что количество полезных элементов в семенах увеличивается неравномерно. Так, в наибольшей степени повысилось содержание азота, что, в свою очередь, вызвало пропорциональное увеличение количества белка в семенах, т. е. повысило ценность получаемого в дальнейшем сельскохозяйственного продукта. Незначительно выросло содержание цинка: всего на 1,6 %. Не изменилось содержание никеля и уменьшилось содержание стронция.

Таким образом, при воздействии на семена ВТО+1 увеличиваются необходимые человеку мак-ро- и микроэлементы и одновременно выводятся ненужные вещества, в том числе тяжелые металлы (стронций). Это явление подтверждает целесообразность проведения ВТО+1 с целью предпосевной стимуляции семян, усиления жизнеспособности

проростков и увеличения необходимых человеку макро- и микроэлементов в выросших растениях. Увеличение количества полезных макро- и микроэлементов передается и плодам.

Из проведенного эксперимента следует, что процесс количественного изменения макро- и микроэлементов в семенах пропорционален насыщению семян водой, которое усиливается при ВТО+1.

При обработке семян указанным способом увеличение длины проростков и их корневой системы обусловлено увеличением в клетках обработанных семян количества необходимых для их развития макро- и микроэлементов.

Увеличение количества полезных макро- и микроэлементов в составе семян стимулирует усиление их жизнеспособности, что выражается в увеличении размеров и роста проростков, развитии их корневой системы в сравнении с контрольной партией семян.

Все это возможно при комплексном воздействии на семена ВТО+1 .

В.Г. Ляпин, канд. техн. наук

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный аграрный университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Расчеты параметров электротехнологического культиватора [1, 2] связаны с исследованием электромагнитного поля (ЭМП) в объеме между электродами с учетом специфики геометрии и физических свойств межэлектродного промежутка (МЭП). Для описания ЭМП необходимо иметь представление о нем и всех компонентах МЭП. Свойства этих компонентов — важнейшие характеристики, зависящие от внешних факторов, структуры, химического состава и параметров происходящих с ними электрофизических процессов. Для изменения свойств

компонентов МЭП необходимо воздействие на них ЭМП [3].

Растительный организм характеризуется значительной неоднородностью пассивных электрических характеристик [3] на всех структурных уровнях — клеточном (микроскопическом) и тканевом (макроскопическом), а также на уровнях отдельных органов и организма в целом, причем некоторые ткани обладают явно выраженной анизотропией. В растительных тканях (РТ) распределение электрических полей и связанных с ними электриче-

ских токов зависит от электрических свойств этих тканей.

В статье предпринята попытка представить растения в качестве объекта электроматериаловедения. Для описания электрических свойств растений использованы материалы работ [1-8].

Под электрическими свойствами растительных организмов понимают совокупность параметров, характеризующих поведение биоматериалов в электрической составляющей ЭМП. В прикладном значении наиболее часто используют следующие параметры: диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери, электрическую проводимость и электрическую прочность и др. Известно, что электрическое поле, действующее на биоматериал, вызывает его поляризацию (электрическую, дипольно-релаксационную, ионную), связанную с химическим и физическим строением. Степень поляризации оценивают по диэлектрической проницаемости е и тангенсу угла диэлектрических потерь tg 5. Прохождение тока по поверхности или через объем биоматериала определяется удельными поверхностным р8 и объемным ру электрическими сопротивлениями, представляющими собой обратные величины по отношению к удельным поверхностной и объемной уу проводимостям. Именно от значений е, tg 5, р8, ру зависят граничные условия, в которых можно эффективно обрабатывать растительные ткани, т. е. целенаправленно изменять их свойства посредством воздействия электрической составляющей ЭМП. Если параметры внешнего электрического поля превышают предельные для конкретного биоматериала значения, то происходит потеря электрических свойств. Поэтому для РТ также определяют электрическую прочность Епр.

С достаточной для практических целей точностью величину е допускается определять как отношение емкости С электрического конденсатора, между обкладками которого находится биоматериал, к емкости того же конденсатора при С0 в воздушном объеме, т. е. е = С / С0.

По величине е все биоматериалы условно подразделяют на группы: неполярные 1,8 < е < 2,3, малополярные 2,3 < е < 3,0, полярные 3,0 < е < 4,0 и сильнополярные е >4,0. Условность разделения заключается в том, что электрические свойства биоматериалов зависят от внешних факторов: температуры, влажности, степени ионизации окружающей среды, напряженности электрического поля, силы тока и др. При стандартизованных измерениях е частота ЭМП составляет 103 Гц, температура 20 °С, относительная влажность воздуха 60 %. Образец биоматериала имеет форму диска диаметром 100 мм.

У биоматериалов е определяется дипольной электронной и резонансной поляризациями и зависит от значения полярности. При изменении температуры биоматериалов е изменяется неодинако-

во. У слабополярных биоматериалов с увеличением температуры значение е убывает почти равномерно, однако при температурах перехода в новое физическое состояние уменьшение е усиливается, отчего кривая е = ф(Т) приобретает ступенчатую форму. С увеличением частоты электрического поля у большинства биоматериалов е незначительно снижается.

Диэлектрические потери е’ — это энергия, которая рассеивается, диссипирует, в диэлектрике при прохождении через него электрического тока. Диссипация внешней энергии сопровождается нагревом РТ : е’ = е tg 5.

Величина е’ определяется значением tg 5, которое составляет от 0,3 для электропроводящих тканей до 10-4 для непроводящих. У РТ е’ определяется двумя физическими признаками: электрической проводимостью (сквозным током) и дипольно-ре-лаксационной поляризацией (током замедленной поляризации). Значение е’ завивит от химической и физической структуры, фазового, агрегатного и физического состояния биоматериала.

Большинство РТ обладает высокими электрическими сопротивлениями, и по этому показателю относится к полупроводникам и диэлектрикам. У всех РТ в меньшей или большей степени отмечается электрическая проводимость, которая описывается тремя механизмами — электронным, ионным и биполярным. Электропроводность РТ в большинстве случаев носит ионный характер. Количественно электропроводность характеризуется удельной объемной проводимостью уу куба размером 1 х 1 х 1 м, причем постоянный ток проходит через куб между двумя противоположными гранями:

где I — сила тока, А; Е — напряженность ЭМП, В/м; Б—

площадь поперечного сечения, м .

В прикладных целях электропроводность РТ характеризуют величиной, обратной проводимости по физическому смыслу, а именно удельным объемным электрическим сопротивлением ру. Значение ру для РТ изменяется в широких пределах: от 10-3 до 1018 Омм. Также используют величину р8 — удельное поверхностное электрическое сопротивление (сопротивление между противоположными сторонами единичного квадрата со стороной 1 м на поверхности образца), измеряемое в омах. Значения р8 в значительной мере зависят от условий измерения. При 20 °С и относительной влажности воздуха 60 % значения р8 для биоматериалов составляют от 10-1 до 1016 Ом. В сухой атмосфере и при отсутствии загрязнений р8 может значительно превышать ру. Так как вода является сильнополярной жидкостью (е = 81; ру = 10.. .102 Омм), то ее сорбция биоматериалами даже в весьма малых количествах приводит к резкому увеличению электропроводности.

По удельному объемному электрическому сопротивлению ру все РТ делят на три группы: диэлектрики свыше 108 Омм, полупроводники — 102.108 Омм, проводники проводящие — 10-2.102 Омм и высо-копроводящие — 10-6.10-2 Омм.

В зависимости от напряженности электрического поля, в котором находятся РТ, превыщающей Епр, различают пробои нескольких видов: электрический, электромеханический, тепловой и электрохимический или от действия газовых разрядов. Электромеханический пробой возникает в МЭП или на участке деформирования биоматериала. С учетом возможного нагрева РТ в МЭП и усилия их прижатия, возрастающего за счет кулоновского притяжения, разрушение РТ может произойти еще до его электронного пробоя. В целом при оценке электрической прочности РТ необходимо учитывать их сложный состав, включающий мембраны, воздухоносные полости, внутреннее содержимое клеток и др. Если они имеют повышенные диэлектрические характеристики, то при электротехно-логической обработке такие РТ сохраняют высокую электрическую прочность. В других случаях РТ с хорошими диэлектрическими свойствами, находясь в составе другого материала или в сильном ЭМП, так или иначе потеряют их.

Повышение эффективности электротехнологий возможно при совмещенном воздействии физических факторов, так как это существенно уменьшает электрическую прочность биоматериала. Пористость биоматериалов повышает их диэлектрические свойства, но при сорбции влаги из воздуха и скоплении ее в имеющихся порах диэлектрические свойства снижаются. Поглощенная влага резко изменяет все электрические характеристики. При измерениях проникновение проводящими электро-

дами сквозь эпидермис в глубинные структуры РТ уменьшает эти сопротивления.

Значения е, tg 5, р8, ру, определяющие граничные условия, в которых РТ можно эффективно обрабатывать, измеряют цифровыми измерителями им-митанса MIC-4070D, Е7-22 и др. В работе [8] приведены некоторые экспериментальные данные РТ для частот изменения ЭМП до 104 Гц.

1. Ляпин, В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью / В.Г. Ляпин. — Новосибирск: Новосиб. ГАУ, 2000. — 106 с.

2. Ляпин, В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью в приложениях / В.Г. Ляпин. — Новосибирск: Новосиб. ГАУ, 2000. — 240 с.

3. Ляпин, В.Г. Структурно-функциональные изменения сорных растений при их повреждении электрическим током / В.Г. Ляпин, А.В. Боженков, В.Ф. Котяшкина. Под общ. ред. В.Г. Ляпина. — Новосибирск: Новосиб. ГАУ, 2001. — 127 с.

4. Биофизика для инженерных специальностей: учеб. пособие для вузов / С.П. Вихров, В.О. Самойлов, Н.В. Гри-венная [и др.]; под ред. С.П. Вихрова и В.О. Самойлова. — М.: Горячая линия — Телеком, 2006. — 460 с.

5. Потапов, А.А. Деформационная поляризация: Поиск оптимальных моделей / А.А. Потапов. — Новосибирск: Наука, 2004. — 511 с.

6. Баньков, В.И. Низкочастотные импульсные сложно-модулированные электромагнитные поля в медицине и биологии (экспериментальные исследования) / В.И. Баньков, Н.П. Макарова, Э.К. Николаев. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 1992. — 100 с.

7. Крыжановский, В.К. Электрические свойства полимерных материалов / В.К. Крыжановский // Все материалы. Энциклопедический справочник, 2006, № 2. — С. 20-25.

8. Ляпин, В.Г. Исследование электрических свойств растений / В.Г. Ляпин // Инженерно-техническое обеспечение технологических процессов в агропромышленном комплексе Сибири: сб. науч. тр. / РАСХН. Сиб. отд-ние. — Новосибирск: ГНУ СибИМЭ, 2007. — С. 126-136.

Л.В. Навроцкая, канд. техн. наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СЕМЯН В ПРОЦЕССЕ ИХ ВОДОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Усиление стимуляционных процессов в семенах может быть достигнуто путем воздействия на семена водотермической обработки (поочередное омыва-ние семян водой контрастных температур) с одновременным пропусканием переменного электрического тока (ВТО+1).

При таком комплексном воздействии на семена наблюдаются процессы электроосмоса влаги в них,

в результате чего увеличивается количество поглощаемой ими воды не только за один цикл обработки, но и за весь период обработки ВТО+1. Увеличение количества тепловой энергии, поглощаемой при этом семенами, ведет к интенсивной стимуляции роста и развития проростков обработанных семян.

Количество поглощаемой семенами тепловой энергии можно оценить по росту температуры се-