Metody badania właściwości dielektrycznych

Wa

ż

niejsze wła

ś

ciwo

ś

ci dielektryczne materiałów elektroizolacyjnych to:

A) rezystywno

ść

skro

ś

na i powierzchniowa,

B) współczynnik strat dielektrycznych i przenikalno

ść

elektryczna

C) wytrzymało

ść

elektryczna,

D) odporno

ść

na łuk elektryczny

Ad. A Rezystywno

ść

skro

ś

na

ρ

v

jest to stosunek napięcia stałego

przyłożonego do elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego między
elektrodami na skroś próbki, z wyłączeniem tej części prądu, która płynie po powierzchni
próbki, odniesiony do 1 m2 powierzchni elektrody pomiarowej i 1 m grubości próbki.

Rezystywność

powierzchniowa

ρ

s

– jest to stosunek napięcia stałego przyłozonego

do elektrod, do wartości ustalonej natęzenia prądu płynącego przez warstwę zaadsorbowanej
na powierzchni próbki wilgoci, zanieczyszczeń i sadzy, odniesiony do 1m długości elektrod i
do 1m odległości między elektrodami.

W celu wyznaczenia rezystywności dielektryka, próbkę umieszcza się w odpowiednim

układzie elektrod i przykłada napięcie stałe o określonej wartości. Mierzy się cały prąd lub
jego składowe: powierzchniową i skrośną. Mierzymy więc rezystancję skrośną lub
powierzchniową, a potem przeliczamy ją na wartości rezystywności.

Do pomiarów wykorzystujemy teraomomierz umożliwiający pomiar rezystancji w

zakresie 10

8

-10

18

[

Ω

]. Pomiary wykonujemy dla napięć

250 lub 500V. Do zacisków

teraomomierza przyłącza się

układ elektrod z próbką w środku, zgodnie z rysunkiem. Przy

pomiarze rezystancji skrośnej elektroda ochronna eliminuje wpływ rezystancji
powierzchniowej, a przy pomiarze rezystancji powierzchniowej wpływ rezystancji skrośnej.
Dodatkowo spełnia ona role ekranu dla elektrody pomiarowej od pól obcych. Rysunek
przedstawia układ elektrod do pomiaru rezystancji próbek.

Układ do pomiaru rezystancji skrośnej

E

1

– elektroda pomiarowa (krążek)

E

2

– elektroda ochronna (pierścień)

E

3

– elektroda napięciowa (krążek)

Układ do pomiaru rezystancji powierzchniowej
E

1

– elektroda pomiarowa (krążek)

E

2

– elektroda napięciowa (pierścień)

E

3

– elektroda ochronna (krążek)

Ad. B Współczynnik strat dielektrycznych tg δ

- wielkość niemianowana

charakteryzująca dielektryki. Wartość tę wyznacza tg δ - tangens kąta strat dielektrycznych,

czyli stosunek natężenia składowej rzeczywistej (czynnej) IR do składowej urojonej

(biernej) IC prądu elektrycznego płynącego przez dielektryk w zmiennym polu elektrycznym:

Na wykresie wektorowym prądu płynącego w dielektryku kąt ten
jest zawarty pomiędzy wektorem prądu i jego składową

bierną. W praktyce posługujemy się

tg

δ

jako współczynnikiem stratności dielektrycznej. Jest on zależny od temperatury,

częstotliwości oraz

napięcia przyłożonego, gdy jego wartość

zbliżona jest do napięcia

jonizacji. Poniższy rysunek przedstawia

schemat zastępczy dielektryka rzeczywistego oraz

wykres wektorowy prądów w takim dielektryku.

Pomiary przenikalności elektrycznej

umieszczenie dielektryka między elektrodami kondensatora próżniowego o pojemności Co
powoduje wzrost jego pojemności do wartości Cx. Ze wzoru wynika, że względna
przenikalność elektryczna:

ε

x

=

względna przenikalność elektryczna εr materiału izolacyjnego wyraża się stosunkiem
pojemności Cx kondensatora, w którym przestrzeń między elektrodami i wokół elektrod jest
całkowicie wypełniona materiałem izolacyjnym, do pojemności Co tych samych elektrod w
próżni.

Metoda stałoprądowa czasowej odpowiedzi (Metoda Hamona )

Metoda Hamona time response (czasowej odpowiedzi) polega na badaniu w funkcji czasu
przebiegu prądu ładowania dielektryka jako odpowiedzi na jednostkowy skok napięcia
stałego polaryzującego próbkę lub prądu rozładowania wskutek gwałtownego zaniku napięcia
stałego i zwarcia próbki. Metodę tę stosuje się w układzie przedstawionym na rysunku
poniżej - powszechnie służącym do pomiarów prądów absorpcji i resorpcji oraz rezystancji
skrośnej.

Stosując przekształcenie Fouriera dla czasowej odpowiedzi prądowej dla dielek-tryków
liniowych, można wyznaczyć dyspersyjne (częstotliwościowe) zależności składowej czynnej
ε′(ω) i biernej ε″(ω) przenikalności elektrycznej.

- Metoda zmiennoprądowa rejestracji wartości chwilowych

Rejestruje się chwilowe wartości prądu układzie pomiarowym przedstawionym na
poniższym rysunku, zasilanym z funkcyjnego generatora sinusoidalnego małej częstotliwości.
Metoda jest oparta na rejestracji chwilowych wartości prądu, który przepływa przez
kondensator z badanym dielektrykiem między okładkami, oraz napięcia przyłożonego do
elektrod

.

Metody mostowe.

Mostek Vince’a.

Pomiary przenikalności elektrycznej ε i współczynnika strat dielektrycznych tg

δ

w zakresie

częstotliwości 0,1–10 Hz wykonuje się, mierząc pojemność elektryczną mostkiem Vince’a
którego schemat przedstawiono na poniższym rysunku. Mierzoną próbkę reprezentują
pojemność Cx i równolegle do niej przyłączona rezystancja R

x

.

Mostek jest zasilany z dwóch zsynchronizowanych generatorów niskoczęsto-tliwościowych o
napięciach wyjściowych

U

1

i U

2

o tej samej fazie. W stanie równowagi:

Pomiary w zakresie częstotliwości akustycznych ( dalej metody mostkowe)

W zakresie częstotliwości akustycznych pomiary przenikalności elektrycznej i współczynnika
strat dielektrycznych wykonuje się zawsze metodą pośrednią, umieszczając badany materiał
między elektrodami, które razem z nim tworzą kondensator.

Pomiary pojemności elektrycznej i współczynnika strat dielektrycznych wykonuje się
metodami mostkowymi lub napięciowo-prądowymi. Stosuje się mostki czteroramienne ze
wszystkimi gałęziami biernymi i mostki transformatorowe.

Mostki czteroramienne bierne

Wszystkie układy mostków z gałęziami biernymi można sprowadzić do mostka
czteroramiennego typu Wheatstone’a, zawierającego gałęzie o impedancjach zespolonych

Z

1

,

Z

2

, Z

3

i Z

4

,

źródło zasilające mostek napięciem przemiennym U oraz wskaźnik równowagi WZ

W stanie równowagi mostka, gdy prąd w gałęzi wskaźnika zera

I

o

= 0,

impedancje

zespolone gałęzi mostka spełniają warunek

: Z

1

Z

4

=Z

2

Z

3

oraz warunek równowagi argumentów:

φ

1

+φ

4

=φ

2

+φ

3

Mostek Scheringa

Schemat wysokonapięciowego mostka Scheringa przedstawiono na rysunku poniżej. Mostek
ten różni się od mostków niskonapięciowych tym, że uziemione jest źródło zasilania, a gałąź
wskaźnika zera nie. Wynika to stąd, że mostek pracuje przy wysokim napięciu i na
elementach

R

3

, C

4

i R

4

,

dostępnych dla obsługi, nie może pojawić się wysokie napięcie.

W stanie równowagi mostka spełnione są równania:

Mostki transformatorowe

Mostki transformatorowe mają zastosowanie w szerokim zakresie częstotliwości (15–
250MHz) ze względu na:

•

małą liczbę elementów mostka wskutek wprowadzenia zasilania układu bezpośrednio

do gałęzi mostka,

•

dużą dokładność pomiaru i jej bardzo małą zależność od czasu, temperatury i napięcia,

•

możliwość bezpośredniego uziemienia ekranów i pierścieni ochronnych, a więc

pomiaru pojemności kondensatorów trójelektrodowych bez dodatkowych obwodów
ochronnych

Metody napięciowo-prądowe pomiaru impedancji

Metody napięciowo-prądowe pomiaru impedancji, nazywane też metodami wolto-
amperomierzowymi, polegają na bezpośrednim pomiarze miernikami fazoczułymi prądu
przepływającego przez badany obiekt i spadku napięcia na tym obiekcie . Rozwój technik
mikroprocesorowych spowodował, że obecnie metody te należą do najnowocześniejszych i
najczęściej stosowanych. W prawie wszystkich współczesnych niskonapięciowych
przyrządach do pomiarów impedancji w zakresie częstotliwości od ok. 10 Hz do 1 MHz
wykorzystuje się tę metodę. Zasadę pomiaru impedancji pojemnościowej tymi metodami
przedstawiono na rysunku poniżej

Układ z rysunku a) ma tę wadę, że potencjał napięcia

U

x

jest podwyższony względem masy,

co utrudnia jego pomiar woltomierzem fazoczułym z jednym zaciskiem znajdującym się na

masie. Wady tej nie ma układ przedstawiony na rysunku b), w którym impedancję określa się,

mierząc spadek napięcia

U

x

na impedancji

Z

x

i napięcie na generatorze

U

g

,

Ad. C Wytrzymałość elektryczna

–

największa wartość natężenia pola elektrycznego,

jaka może istnieć w dielektryku (izolatorze) bez wywołania przebicia.

Wytrzymałość definiowana jest zgodnie z powyższą normą jako „utrata, przynajmniej
chwilowa, właściwości elektroizolacyjnych ośrodka pod wpływem natężenia pola
elektrycznego”. Wytrzymałość elektryczna dielektryka jest określana jako stosunek wartości
napięcia przebicia Up do średniej grubości badanej próbki dielektryka d, zgodnie ze wzorem:

gdzie,

U

p

– j

est napięciem przebicia wyrażonym w wartości skutecznej dla napięć sinusoidalnych lub

wartością maksymalną dla napięć nieokresowych, [V],

d – jest grubością próbki w miejscu przebicia, [mm]

Przy próbach wytrzymałości elektrycznej materiałów stałych wykonuje się zazwyczaj
pomiary napięcia przebicia próbek nie przekraczających 3 mm. Definiuje się również
długotrwałą wytrzymałość elektryczną, gdzie napięcie jest zmieniane skokowo i
utrzymywane przez pewien okres, na przykład 1 min. W ten sposób napięcie jest
podwyższane, aż do napięcia przebicia próbki układu izolacyjnego.

Ad.D Odporność na łuk elektryczny

Jest to zdolność dielektryka do przeciwstawiania się powstawaniu mostków przewodzących
trwale lub przejściowo, rozkładowi chemicznemu lub zniszczeniu mechanicznemu (np.
pęknięciom).

W zależności od metody badania odporności na działanie łuku, jest odpowiednio

określany czas próby w sekundach (badanie odporności na łuk elektryczny o małym natężeniu
prądu przy wysokim napięciu) lub liczba uderzeń łuku elektrycznego, zainicjowanego
przewodem zapłonowym do powstania ścieżki przewodzącej (badanie przy dużym natężeniu
prądu i niskim napięciu).