Электрическая проводимость жидких диэлектриков

Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного  путем его более глубокой очистки  адсорбентами. Его электрические  свойства лучше, чем у трансформаторного  масла. При 20^оС и 1 Гц = 2,1-2,3, = 10¹¹-10¹²Ом.м, Е_пр= 14^-18 кВ/мм[12,стр.139]. Используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение.

Нефтяное кабельное масло  применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим  напряжением до 35 кВ в свинцовой  или алюминиевой оболочке, а также  для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на напряжение до 110 кВ и выше.

Конденсаторные масла  отличаются от трансформаторных масел  более тщательной очисткой и меньшими значениями tg (до 2.10^-4). Недостатки нефтяных масел — пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность. 

1.3. Синтетические жидкие диэлектрики

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных  углеводородов (совол, совтол), что связано  с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью[3,стр.23]. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Они  не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью  и морозостойкостью. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах  которых содержится повторяющаяся  силоксанная группировка: Кремний-кислородная  связь имеет высокую термическую  и химическую стойкость, поэтому  кремнийорганические соединения устойчивы  при высоких температурах (до 250^оС). По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. При 20^оС и 100 Гц = 2,4-2,8, = 10¹¹-10¹²Ом*м, Е_пр= 14^-18 кВ/мм[6,стр56]. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, работающих при повышенной температуре, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях. Их недостаток — сравнительно быстрая воспламеняемость, кроме того, они значительно дороже нефтяных масел.

Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической  стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Молекулы фторорганических жидкостей состоят  из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. Фторорганические жидкости — неполярные диэлектрики. При 20^оС и 100 Гц = 2,2-2,5, = 10¹²-10¹⁴ Ом.м, Е_пр= 12-19 кВ/мм[6,стр.47]. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Применяются для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. Недостатки — токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, высокая стоимость.

Растительные  масла. К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла — слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к «высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.

2. Измерения диэлектрической проводимости в жидких диэлектриках

 

2.1.Различные виды  жидкостных ионизационных камер

 

Жидкие диэлектрики могут иметь различные значения естественной проводимости, причем степень чистоты жидкости, определенная ее проводимостью, предопределяет воспроизводимость результатов измерений. Поэтому большое количество работ, выполненных с недостаточно тщательно очищенными жидкими диэлектриками, можно использовать для изучения механизма приводимости с очень большой осторожностью.

Предельное значение естественной проводимости для наилучших образцов жидких диэлектриков составляет - . Для выполнения исследований необходимо иметь, во-первых, хорошо очищенную жидкость и, во-вторых, точную электрометрическую аппаратуру, способную измерять токи .

Очищенный жидкий диэлектрик наливается в сосуд, являющийся ионизационной камерой специального вида (конденсатор), и ставится под постоянное напряжение 2—10 кВ. Измерение тока производится с помощью наиболее чувствительных электрометров.

На рис 1 показана схема простейшего измерительного устройства, состоящего из ионизационной камеры К, электрометра Е и батареи аккумуляторов Б. Важнейшей частью ионизационной камеры является конденсатор (плоский, цилиндрический или сферический). Один электрод конденсатора укрепляется на хорошем изоляторе (например, на эбоните или плексиглазе) и может быть присоединен к источнику постоянного напряжения; другой электрод, собирающий измеряемый заряд, должен быть укреплен на наилучшем изоляторе (янтарь, кварц или полимеры типа тефлон, полистирол и т. д.) и соединен с электрометром."Наиболее часто применяемые изоляторы приведены в табл. 1. При выборе материала необходимо учитывать также механические свойства и химическую стойкость. Так, например, янтарь растворяется в бензоле и толуоле (ароматические углеводороды) и не растворяется в насыщенных углеводородах (гексан, гептан). Измерительный электрод должен быть защищен металлическим экраном от натекания{паразитных токов утечки. Конструктивная схема плоской камеры приведена на рис. 2. Весь конденсатор помещен в замкнутый сосуд, выполнение которого должно зависеть от того, чем он заполняется: жидкостью или газом (при нормальном или повышенном давлении).

Рис. 1. Простейшая схема измерений

Таблица 1.Твердые изоляторы.

 

Если на собирающий электрод конденсатора емкостью  С попадает п ионов с зарядом е, то импульс напряжения на этом электроде имеет амплитуду при (заряд электрона) и при емкости, выраженной в пикофарадах, изменение напряжения.

                                                 (1)

                                     

Тяжелые ионизирующие частицы (протоны, дейтроны, - частицы, осколки молекул) производят такое большое количество ионов, что каждую частицу можно обнаружить отдельно; для этой цели применяются импульсные камеры или счетчики. При ионизации электронами (- частицы, фотоэлектроны, комптоновские электроны) измеряется заряд, собираемый на электроде в единицу времени; для этой цели применяются интегрирующие или дозиметрические камеры. Разница между импульсными и интегрирующими камерами заключается в разных величинах постоянной времени входного контура электрометра. У импульсных камер , что дает у интегрирующих камер   и постоянная времени имеет величину порядка сек.

При измерении ионизационных  токов в газах можно избежать мешающего влияния ионизации  в стенках камеры, вызванной фотоэффектом и комптоновскими электронами. С  этой точки зрения ионизационные  камеры делятся на три группы:

1) нормальные камеры, в  которых ионизация происходит  только в активном объеме газа;

2) камеры со свободным  газом, в которых учитываемая  при измерении ионизация может  происходить и в слоях газа, окружающих активный объем;

3) полостные камеры, в  которых учитываемая при измерениях  ионизация происходит и от  электронов, образуемых в активном  объеме, и от электронов, образуемых  на стенках камеры.

Полостные камеры чаще всего  применяются для относительных  измерений. В дозиметрии большую  роль играют камеры со стенками, эквивалентными воздуху и эквивалентными биологической  ткани. В первом случае стенки делаются из вещества с атомным номером 7,64 (атомный номер воздуха), во втором случае — из вещества, близкого по химической структуре к ткани.

Рис. 2. Конструктивная схема ионизационной камеры

1-измерительный вывод; 2 – изолятор; 3 – экранное кольцо; 4 – собирающий электрод; 5 – нижний электрод; 6 – сосуд с жидкостью или газом; 7 – изолятор (эбонит); 8 – ввод напряжения

 

Ионизационная камера должна удовлетворять ряду требований, выполнение 
которых уменьшает возможность ошибок при измерениях, а именно:

1. электроды должны быть укреплены механически жестко, чтобы не было изменений емкости или активного объема из-за их вибрации;
2. изоляторы должны быть так подобраны и очищены, чтобы не было 
   утечки заряда и чтобы не было химического взаимодействия между ними и газом или жидкостью в камере;
3. собирающий электрод должен быть окружен заземленным экраном, охраняющим его от паразитных токов;
4. картина силовых линий поля в камере должна быть определена, и величина напряженности поля должна рассчитываться количественно;
5. под действием приложенного напряжения камера должна  работать в области насыщения;

Рис. 3. Разрез жидкостной ионизационной камеры.

1-металическая крышка; 2-изолятор; 3-стеклянный сосуд; 4-шкала; 5-ввод  напряжения;6-диск с напряжениями; 7-микрометрический винт; 8-эбонит; 9-металический  сосуд с окном; 10-электроды камеры; 11-изолятор (янтарь); 12-измерительный  вывод.

Рис. 4. Разрез жидкостной ионизационной камеры, предназначенных для температурных исследований.

1-изолятор; 2-стеклянный сосуд; 3-патрубок для присоединения  диффузионного насоса; 4-экранное  кольцо; 5-латунный цилиндр; 6-дюраливый пруток; 7-медный цилиндр; 8-трубка для ввода жидкости.

 

1. боковые стенки камеры должны быть достаточно тонкими, или иметь окна из стекла, кварца или слюды с тем, чтобы в них не поглощалась заметная часть исследуемого излучения (в особенности важно при измерениях мягкого рентгеновского излучения и а- и в - частиц);
2. электроды и стенки камеры должны быть сделаны из материала, не загрязняющегося легко и не вступающего в химические реакции с газом или с жидкостью, заполняющую камеру, или должны иметь защитные покрытия (хромирование, золочение, серебрение или никелировка);
3. все соединения собирающего электрода камеры с электрометром должны иметь электростатические экраны, находиться в сухом воздухе и быть защищенными от рассеянного излучения.

 На рис. 3 и 4 приведены  характерные конструктивные схемы  камер, использованных разными авторами.

 

2.2. Методы измерения  очень малых токов 

Ток в ионизационной камере измеряется с помощью гальванометра, если его величина лежит в пределах , и с помощью электрометра, если ток еще меньше, до . В последнем случае пользуются двумя способами: 1) измеряется падение напряжения на сопротивлении и 2) измеряется время нарастания напряжения на конденсаторе. Измеряемый ток равен соответственно . Можно также измерять заряд, накапливающийся на конденсатора,

                                                     

Электрометры можно подразделить на две группы: 1) электростатические (электрометры и электроскопы); 2) ламповые электрометры, представляющие собой: а) усилители постоянного тока и  б) динамические усилители (обычные  и вибрационные, с заменой постоянного  тока на переменный).

Электрометры характеризуются  следующими величинами:

1. чувствительность по напряжению S (U), делений на вольт;
2. емкость электрометра С;
3. чувствительность по заряду S (q), делений на кулон, причем S (q) = CS (U);
4. предел измеряемого напряжения U;
5. время установления показания ;
6. сопротивление изоляции;
7. входная емкость.

Из электростатических наибольшее применение нашли электрометры Линдемана  и Лоритсена. Они легкие, переносные, не боятся сотрясений и имеют батарейное питание. Относящийся к этой же группе электрометр Гофмана работает в вакууме и имеет очень легкую подвеску, благодаря чему его чувствительность по току и по заряду может быть доведена до максимальных значений, а чувствительность его к сотрясениям требует большой осторожности.

В электрометре Линдемана  между квадрантами находится малая кварцевая игла, укрепленная на нити толщиной 6 мк. Измеряемый потенциал подается на иглу и поворачивает ее внутри квадрантов, так как одна пара квадрантов заряжена положительно, другая — отрицательно. Чувствительность по напряжению составляет здесь 4000 дел/в, по току а/дел. Отклонение указателя по шкале наблюдается через микроскоп.

В последнее время расширяется  применение ламповых электрометров, имеющих  очень высокое входное сопротивление  Ом и очень малый сеточный ток . Такие параметры достигаются благодаря использованию специальных электрометрических ламп. Их входная емкость равна 3—10 пФ. Чаще всего это триоды или одинарные и двойные тетроды. Анодный ток в тетродах составляет несколько десятых долей миллиампера, ток экранной сетки в несколько раз больше. Коэффициент усиления близок 1.

Высокоомные сопротивления  порядка  Ом представляют собой специальную проблему, так как обычные радиотехнические сопротивления не превосходят Ом. Существует несколько способов изготовления высокоомных сопротивлений, например: из смеси бакелитовой массы с сажей; в виде стеклянных палочек с напыленной платиной, помещенных в вакуум; стеклянные палочки с тонким слоем угля; жидкостные сопротивления из определенных химических соединений; ионизационные сопротивления, устроенные как ионизационная камера с постоянным радиоактивным источником ( - частицы или - лучи), который можно частично экранировать (так называемые сопротивления Бронсона).