Бібліографічний опис:
Поляризаційні процеси в неоднорідних діелектриках лежать в основі багатьох явищ, що відбуваються в ізоляційною системі високовольтних трансформаторів і дозволяють оцінювати їх стан і термін служби. Внаслідок застосування електроізоляційних матеріалів з різними діелектричними властивостями і наявності включень ізоляція високовольтного обладнання має неоднорідну структуру. У силових трансформаторів неоднорідність утворюється за рахунок чергуються шарів твердої (електротехнічний картон) і рідкої (трансформаторне масло) ізоляції, газонаповнених сферичних включень і ін. [1, с. 17].
Розглянемо більш докладно, як змінюється зовнішнє електричне поле в діелектриках з неоднорідною структурою.
1. Електричне поле в двошаровому діелектрику в разі відсутності струмів провідності.
Помістимо двошаровий діелектрик між обкладинками плоского конденсатора. Введемо позначення: товщина першого шару діелектрика. діелектрична проникність . другого шару відповідно і. Будемо розглядати ідеальний випадок, коли струм провідності відсутній і провідності шарів діелектрика дорівнюють нулю.
Зарядимо конденсатор, підключивши до його обкладкам джерело постійної напруги. На обкладинках конденсатора з'являться заряди протилежних знаків (рис.1), які створять електричне поле. де - відстань між обкладками конденсатора.
Діелектрик, перебуваючи в електричному полі, створеному обкладинками конденсатора, поляризується і на його кордонах з'являються пов'язані заряди. Ці заряди створюють власне електричне поле, яке спрямоване протилежно зовнішньому полю і тому має його послаблювати. Обчислимо електричні поля і в шарах діелектрика.
Так як різниця потенціалів на межах першого шару діелектрика. другого шару діелектрика. а різниця потенціалів між обкладинками конденсатора. то
Нехай шар електротехнічного картону () знаходиться між тонкими шарами трансформаторного масла (), тоді напруженість електричного поля в шарах масла буде дорівнює. Отриманий результат узгоджується зі значенням електричного поля в одиночному тонкому шарі масла, що примикає до електротехнічного картону.
4.Електріческое поле в тришаровому діелектрику при наявності струмів провідності.
Перейдемо від ідеального випадку до реального, коли шари діелектрика мають питомими проводимостями. і відповідно. Тоді замість рівняння (5) отримаємо систему з двох рівнянь:
Вирішуючи систему рівнянь (10) і (14) можна отримати вирази для електричних полів в тришаровому діелектрику. Однак рішення системи рівнянь для тришарового діелектрика досить складно і громіздко, тому обмежимося розглядом окремого випадку.
Нехай шар електротехнічного картону, призначений для трансформаторів з масляним наповненням, товщиною [4], діелектричної проникністю і середньої провідністю оточений з двох сторін тонкими шарами трансформаторного масла товщиною. діелектричної проникністю. питомою провідністю. Вирішуючи систему диференціальних рівнянь (10), (14) чисельно для даного окремого випадку отримаємо, що напруженість електричного поля в тонких шарах трансформаторного масла. тобто в 10 разів перевищує напруженість зовнішнього електричного поля.
5. Електричне поле в газонаповнених сферичних включених.
Розглянемо, як змінюється зовнішнє електричне поле всередині газонаповнених сферичних включенні, наприклад повітряних пора в масляному або паперовому шарах ізоляції. На зовнішніх кордонах пори, внаслідок поляризації і орієнтації дипольних моментів молекул діелектрика у напрямку зовнішнього поля, з'являються пов'язані заряди. Ці заряди створюють електричне поле, нормальна складова напруженості якого всередині пори буде дорівнює і сонаправлени із зовнішнім полем (рис. 2). Тому всередині порожнини буде існувати електричне поле.
Так як газ, яким заповнена пора, є діелектриком, то він теж буде поляризуватися і на внутрішньому кордоні порожнини з'являться пов'язані заряди (рис. 2). Ці пов'язані заряди створять електричне поле. нормальна складова якого спрямована проти поля. Таким чином, всередині газової пори буде існувати електричне поле.
Для знаходження напруженості електричного поля всередині газонаповненого сферичного включення скористаємося формулою (15) [5, с. 151]:
де - діелектрична проникність газу, що заповнює пору, - діелектрична проникність зовнішнього діелектрика.
Нехай сферична пора, заповнена повітрям с. знаходиться в трансформаторному маслі с. тоді напруженість електричного поля в порі складе. Якщо сферична пора, заповнена повітрям (), знаходиться в паперовому шарі ізоляції (), то напруженість електричного поля в повітрі. Таким чином, напруженість електричного поля всередині газонаповненого сферичного включення буде більше, ніж напруженість зовнішнього електричного поля.
Висновок. Всупереч поширеній думці, відповідно до якого зовнішнє електричне поле в діелектрику послаблюється, в діелектриках з неоднорідною структурою зовнішнє електричне поле може посилюватися. В тонких шарах неоднорідного діелектрика, розташованих перпендикулярно до напрямку поля, а також в газонаповнених сферичних включених електричне поле може в кілька разів перевищувати зовнішнє. Дане явище негативно позначається на якості електроізоляційної системи високовольтних трансформаторів і може призводити до виникнення таких небажаних дефектів, як часткові розряди і пробою електричного проміжків. Освіта повітряних пір в паперовій складової ізоляції може призводити до виникнення часткових розрядів в повітряних проміжках, і, як наслідок, руйнування структури целюлози і пошкодження ізоляції.
Сканаві Г.І. Фізика діелектриків (область слабких полів) Т. 1. М. Державне вид-во Техніко-технічної літератури, 1949. - 500 с.Матвєєв О.М. Електрика і магнетизм. - М. Вища школа, 1983. - 463 с.
Основні терміни (генеруються автоматично). електричне поле, електричного поля, напруженість електричного поля, зовнішнє електричне поле, Електричне поле, шару діелектрика, трансформаторного масла, електротехнічного картону, струмів провідності, першого шару діелектрика, шарах діелектрика, зовнішнього електричного поля, напруженість зовнішнього електричного, газонаповнених сферичних, відсутності струмів провідності , масла електричне поле, шари діелектрика, другого шару діелектрика, шарами трансформаторного масла, пов'язані заряди.