ĆWICZENIE 8
Rezystywność skrośna i powierzchniowa
materiałów izolacyjnych stałych
Charakterystyka ćwiczenia
Materiały elektroizolacyjne stałe są opisywane m.in. poprzez określenie
rezystywności skrośnej i powierzchniowej. Ich wartości mają istotne
znaczenie dla możliwości zastosowania materiałów w różnych celach
i aplikacjach. Rezystywności skrośna i powierzchniowa zależą od
rodzaju materiału, temperatury, zawartości domieszek, stopnia
zestarzenia, stanu powierzchni, itp. Własności związane z tymi
wielkościami wpływają na zastosowania materiałów w konstrukcjach
urządzeń elektrycznych. Ćwiczenie pozwala na zaznajomienie
z zagadnieniami dotyczącymi rezystywności materiałów izolacyjnych
stałych, metodami ich pomiaru oraz wartościami typowymi dla
materiałów stosowanych w elektrotechnice.
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów i wyznaczenie rezystywności
skrośnej i powierzchniowej typowych materiałów izolacyjnych stałych.
Podczas ćwiczenia badany jest też wpływ temperatury na wartość
rezystywności wybranych materiałów.
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
1. WPROWADZENIE
1.1. Rezystancja izolacji
Przez element materiału izolacyjnego umieszczony między elektrodami
płynie, przy napięciu stałym prąd przewodzenia zwany prądem upływu Iu,
składający się z prądu skrośnego Is i prądu powierzchniowego Ip (rys.1).
1
1
a
2
Iu Is
Ip
U=
Rys.1. Prąd upływu w materiale izolacyjnym:
1 - elektrody o powierzchni S, 2 - materiał izolacyjny
Rezystancja izolacji jest to stosunek napięcia stałego przyłożonego do
elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego po powierzchni
elektrod i przez wnętrze materiału:
U
Riz = (1)
Iu
Konduktancja izolacji
1
G = (2)
Riz
Całkowitą rezystancję izolacji stanowi więc:
rezystancja skrośna Rs  stosunek napięcia stałego przyłożonego do
elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego między
elektrodami na wskroś próbki z wyłączeniem tej części prądu, która płynie po
powierzchni próbki, oraz
2
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
rezystancja powierzchniowa Rp  stosunek napięcia stałego przyłożonego
do elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego przez warstwy
wilgoci zaadsorbowanej na powierzchni materiału i innych przewodzących
zanieczyszczeń oraz częściowo przez wnętrze próbki.
Zatem:
Iu = I + Is (3)
p
Rs Rp
Riz =
Rs + Rp
Własności materiału charakteryzują:
rezystywność skroÅ›na Ás
- jest to iloraz stałego natężenia pola elektrycznego przez ustaloną wartość
gęstości prądu płynącego na wskroś materiału. Jednostką rezystywności
skrośnej jest [&!m]
rezystywność powierzchniowa Áp
 jest to rezystywność kwadratu (o dowolnym boku) na powierzchni
materiału, przy czym prąd płynie do przeciwległych boków kwadratu.
Jednostką rezystywności powierzchniowej jest [&!]
Rezystancja skrośna
a) kondensator płaski
a
Rs = Ás [&!] (4)
s
gdzie:
a  grubość materiału
s  powierzchnia elektrod
b) kondensator walcowy (kabel elektroenergetyczny, fragment izolatora
przepustowego)
Rezystancja skrośna kondensatora walcowego jest wypadkową szeregowo
połączonych nieskończenie cienkich warstw dx na promieniu x (rys.2)
3
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
dx
x
1
r2
r1
Rys. 2. Kondensator walcowy 1  elektrody
dx
dRs = Ás (5)
2 xl
Całkując w przedziale od x = r1 do x = r2
r1
Ás dx Ás r2
(6)
Rs = = ln
+"
2 l x 2 l r1
r2
Jeżeli grubość izolacji (r2  r1) jest bardzo mała w porównaniu z promieniami
r1 i r2 czyli:
a = r2 - r1
oraz powierzchnia jest średnią arytmetyczną dwóch powierzchni
cylindrycznych:
1
S = (2 r1l + 2 r2l = l(r1 + r2 )
2
wówczas:
Ás r2 - r1
Rs = (7)
l r1 + r2
dla dowolnej konfiguracji elektrod można wyznaczyć geometryczny parametr
kg:
Ás
Rs = (8)
kg
4
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
posiadający wymiar długości i służący do obliczenia rezystywności przy
znanej rezystancji izolacji.
s
Np. dla kondensatora płaskiego kg =
a
2 l l(r1 + r2 )
dla kondensatora walcowego kg = E"
r1 r2 - r1
ln
r2
Dla celów praktycznych w niektórych przypadkach np. kabli
elektroenergetycznych potrzebna jest znajomość rezystancji na jednostkę
długości kabla Rs/l, np. l = 1 km lub na jednostkę powierzchni Rs/s.
Rezystancja powierzchniowa
Rezystancja powierzchniowa materiału na powierzchni którego znajdują się
elektrody (rys.3) wynosi:
a
R = Á (9)
p p
b
1 1
a
b
U=
Rys. 3. Elektrody /1/ na powierzchni materiału
W przypadku innego kształtu elektrod np. kołkowych (rys. 4) wartość
obliczonej rezystywnoÅ›ci Áp pozostaje niezmieniona.
5
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
1
dx
1
2
r1
1
r2
Rys. 4. Elektrody cylindryczne /1/ na powierzchni materiału
2  powierzchnia o rezystywnoÅ›ci Áp
r1
Á
r2
dx p
Rp = Á = ln (10)
p
+"
2 x 2  r1
r2
Jeżeli r2 - r1 < r1 to w przybliżeniu
1
b E" (2 r1 + 2 r2 ) = (r1 + r2 )
2
r2 - r1
Rp = Á
[&!] (11)
p
(r1 + r2 )
Rezystywność powierzchniowa zależy przede wszystkim od wilgotności
otoczenia  z jej wzrostem maleje wykładniczo oraz od stanu powierzchni
materiału i jego hydrofobowości.
6
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
Elektrody pomiarowe
W zależności od rodzaju próbek (płaskie, rurkowe, prętowe) dobiera się
odpowiedni kształt elektrod pomiarowych [1]. Najczęściej jednak stosuje się
próbki płaskie.
a) rezystancja izolacji
Kształt i wymiary elektrod przedstawiono na rys. 5.
1 1 2
Ć5
e"25
e"25
e"25 e"25 e"25
Rys. 5. Elektrody do pomiaru rezystancji izolacji,
1  elektrody, 2  próbka materiału
7
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
b) rezystywność skrośna
Trójelektrodowy układ elektrod przedstawiono na rys.6.
g d g
a
2 1 3
Rys. 6. Elektrody do pomiaru rezystywności skrośnej
1,3  elektrody pomiarowe, 2  elektroda ochronna,
a  grubość próbki
Średnica d elektrody pomiarowej powinna wynosić co najmniej czterokrotną
wartość grubości próbki i posiadać wartość 10, 25, 50 lub 100 mm.
Szerokość szczeliny g między elektrodą pomiarową i ochronną powinna być
mniejsza od dwukrotnej grubości próbki ale nie mniejsza niż 2 mm.
Elektroda ochronna 2 powinna być uziemiona, przez co eliminuje się wpływ
prądu powierzchniowego na wynik pomiaru rezystywności skrośnej.
c) rezystywność powierzchniowa
Do pomiaru Áp stosuje siÄ™ również ukÅ‚ad 3-elektrodowy przedstawiony na
rys. 6 z tym, że napięcie pomiarowe doprowadzone jest do elektrod 1 i 2
natomiast elektroda 3 spełnia rolę elektrody ochronnej.
StosujÄ…c ukÅ‚ad elektrod przedstawiony na rys.6 rezystywnoÅ›ci Ás i Áp oblicza
się z wzorów:
(d + g)2
Ás = Rx [&!m] (12)
4a
(d + g)
Á = Rx [&!]
p
g
(13)
gdzie:
Rx  zmierzona wartość rezystywności skrośnej lub powierzchniowej
8
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
Układ pomiarowy
Schemat układu pomiarowego metody technicznej do wyznaczania
rezystywności skrośnej i powierzchniowej przedstawiono na rysunku 7 [1].
a)
Rc
1
Rx
W
3
V 1
A
b)
Rc
A
W
Rx
V
Rys. 7. Schemat układu do pomiaru rezystywności próbki metodą techniczną
a) rezystywność skrośna; b) rezystywność powierzchniowa.
W  wyłącznik, RC  opornik ograniczający, V  woltomierz,
A  amperomierz, RX  badana próbka, 1, 2 i 3 - elektrody
Napięcie pomiarowe stałe stabilizowane należy dobrać z szeregu: 1, 10,
50, 100, 250, 500, 1000, 5000 i 10000V tak, aby natężenie pola
elektrycznego w próbce wynosiło od 0,1 do 1 kV/mm. Należy
zastosować woltomierz o dostatecznej dużej oporności wewnętrznej np.
elektrostatyczny. Opornik RC rzędu 10 k&! ogranicza prąd w przypadku
przebicia próbki. Gdy mierzone rezystancje wynoszą RX d" 1013 &! stosuje
siÄ™ w metodzie technicznej do pomiaru prÄ…du galwanometr, gdy RX >
1013 &! - elektrometr.
9
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
Sposób i warunki pomiaru
Po załączeniu napięcia stałego prąd w izolacji zmienia się  maleje  a zatem
rezystancja izolacji rośnie. Jest to spowodowane zjawiskiem polaryzacji
w stanie nieustalonym po załączeniu napięcia .
Rezystywność skrośną oblicza się na podstawie rezystancji zmierzonej
po upływie czasu polaryzacji przyjętego umownie jako 60 sekund od chwili
włączenia napięcia. Stosunek rezystancji zmierzonej po czasie t = 60 s do
rezystancji po czasie t = 15 s jest tzw. wskaz
nikiem absorpcji R60/R15.
W przypadku materiałów dla których stan nieustalony jest dłuższy niż 60 s
należy wyznaczyć charakterystykę pomiaru rezystancji w funkcji czasu.
Pomiary rezystywności powinny być wykonywane w temperaturze 20 ą 3o C.
W przypadku innej temperatury otoczenia wynik pomiaru rezystancji
powinien być odniesiony do temperatury R20 wg wzoru: [2]
R20 = RŃ expą(Ń - 20) (14)
gdzie:
RÅ - rezystancja w temperaturze pomiaru [&!]
ą - współczynnik cieplny oporności izolacji [oC-1]
10
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
Podczas ćwiczenia należy wykonać pomiary rezystancji i wyznaczyć
rezystywności próbek materiałów elektroizolacyjnych stałych. Do pomiaru
rezystancji próbek należy użyć teraomomierza typ E6-13A wraz z układem
trójelektrodowym umieszczonym w specjalnej ekranowanej komorze (rys. 8)
Rys. 8. Teraomomierz E6-13A wraz z przystawka zawierającą układ trójelektrodowy
do pomiarów rezystywności skrośnej i powierzchniowej
Odpowiednie podłączenie przewodów do elektrod pomiarowych umożliwia
pomiar rezystancji skrośnej lub powierzchniowej badanej próbki. Na rysunku
9 przedstawiono wnętrze przystawki z próbką przygotowaną do pomiaru
rezystancji powierzchniowej.
11
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
Rys. 9. Próbka PVC w przystawce pomiarowej teraomomierza E6-13A
przygotowanej do pomiaru rezystancji powierzchniowej
Podczas ćwiczenia należy:
1. Wykonać pomiary rezystancji i wyznaczyć wartości rezystywności
skrośnej i powierzchniowej następujących materiałów izolacyjnych:
- papier kablowy;
- bibułka kondensatorowa;
- folia poliestrowa;
- polichlorek winylu (PVC);
- guma etylenowo-propylenowa;
- płyty papierowo-fenolowe;
- płyty szklano-epoksydowe;
- płyty szklano-melaminowe;
- szkło.
Pomiary wykonać w temperaturze otoczenia.
2. Zmierzyć rezystywność skrośną próbek izolacji polwinitowej, szklano-
epoksydowej TSE i z gumy etylenowo-propylenowej w temperaturze
podwyższonej i wyznaczyć współczynnik cieplny oporności izolacji
12
Ćwiczenie 8: Rezystywność skrośna i powierzchniowa materiałów izolacyjnych stałych
3. SPRAWOZDANIE
1. Opisać zastosowaną metodę pomiarową.
2. Przedstawić w tabeli wyniki pomiarów rezystywności skrośnej
i powierzchniowej badanych materiałów wraz z danymi: grubość,
napięcie pomiarowe, temperatura i inne.
3. W tabeli przedstawić pomiar rezystancji izolacji w funkcji temperatury.
4. WyjaÅ›nić przyczyny różnych wartoÅ›ci Ás i Áp badanych materiałów
LITERATURA
1. PN-86/E-04405 Materiały elektroizolacyjne stałe. Pomiary elektrycznej
oporności.
2. PN-73/E-04160/73 Przewody elektryczne. Metody badań. Pomiary
oporności izolacji.
13