SZIGETELŐANYAGOK VIZSGÁLATA

Átírás

1 SZIGETELŐANYAGOK VIZSGÁLATA Szigetelési ellenállás mérése A mérésre történő felkészüléshez ismételjék át az elméleti anyag Villamos tulajdonságok, Szigetelőanyagok c. fejezetét! A szigetelőanyagok alapvető jellemzője az ellenállásuk. Minden hálózati vagy nagyobb feszültségen működő berendezést szükséges érintésvédelmi szempontból szigetelni és azt rendszeresen ellenőrizni is kell. Emellett a szigetelőanyagoknak áramköri funkciójuk is van, elválasztják egymástól a vezetőket, egyéb áramköri elemeket. Szerepük nem teljesen passzív, töltés halmozódhat fel rajtuk és bizonyos csekély áramot is vezetnek. Külön terület, amikor kondenzátor dielektrikumként kerülnek alkalmazásra. Lényegesen különböző a viselkedésük egyenáramú és váltakozó áramú körökben. Kész berendezéseken mérve az adott eszköz konstrukciójának és alkalmazott szigetelő-anyagainak együttes hatását vizsgálhatjuk. Az eredményekből eldönthetjük, hogy használható-e a berendezés, megfelel-e az érintésvédelmi követelményeknek, van-e energiaveszteség, stb. Gyakorlati célokra gyakran elég annak megállapítása, hogy a szigetelés meghalad-e egy adott biztonságosnak ítélt szintet. Ha az egyes anyagokat akarjuk összehasonlítani, laboratóriumi körülmények között, pontosan meghatározott, lehetőleg szabványos méretű minták fajlagos ellenállását kell mérnünk. ρ = R A / l ismert összefüggésből számítható, mértékegysége [Ωm] vagy [Ωcm] A leggyakoribb egyenáramú mérési módszer: adott feszültség rákapcsolása után az átfolyó áram mérése. Ebből az Ohm-törvény alapján számíthatjuk az ellenállást, vagy a műszer már közvetlenül azt jelzi ki. Az alkalmazott feszültség V, vagy, ha adott alkalmazáshoz vizsgáljuk a szigetelőt, a névleges feszültség kb. kétszerese. Az eddig egyszerűnek tűnő helyzet meglehetősen sok méréstechnikai problémát vet fel: Egy jó szigetelőanyag ellenállása Ω, vagy még nagyobb. Ha a mérőműszer szigetelése is ebbe a tartományba esik, az párhuzamosan kapcsolódik a mérendő ellenálláshoz és meghamisítja a mérésünket. 1. Azaz a legkiválóbb anyagok megválasztásával és helyes konstrukció kialakításával biztosítani kell, hogy a mérőberendezésből párhuzamosan kapcsolódó ellenállások értéke nagyságrendekkel nagyobb legyen, mint a mérendő ellenállás. Így a méréshatár felső korlátja kb Ω és ezt közelítve a mérés pontossága is fokozatosan romlik. (Sovány vigasz, hogy néhány kω-os kontakthibákkal nem kell törődnünk.) 2. Egy mérendő minta kapacitív tagként is viselkedik, az ezt figyelembe vevő helyettesítő áramkör az 1a. ábrán látható. Az egyes elemekre jutó áram időbeli lefolyását a 1b. ábra mutatja. 1

2 1. ábra (az a ábrán R A, R L természetesen ellenállás, amely a z abszorpciós ill. a szivárgó áramot engedi át) A kondenzátor töltőárama viszonylag gyorsan, általában 1 másodpercen belül 0-ra csökken (azaz a kezdeti, viszonylag kisebb ellenállás gyorsan megnő). Abszorpciós áram: a dielektrikumban, főképp a fém-szigetelő határfelületen az áthaladó áram hatására polarizáció lép fel, és ennek eredményeképp nő a minta ellenállása. Pl. sok szigetelőben pozitív ionok szállítják a töltéseket, ezek idővel elvándorolnak a pozitív fegyverzet közeléből, és egy lassan vastagodó, töltéshordozókban még jobban kiürített réteg keletkezik, aminek folyamatosan nő az ellenállása. Szivárgási áram: végül ez a szigetelés valós ellenállásából származó áram, azonban beállási ideje határozatlan. Akkor mérhetjük, ha a kapacitív és az abszorpciós áram már 0-ra csökkent. Az összehasonlíthatóság érdekében az 1 perces leolvasást fogadjuk el a minta ellenállásaként. Ugyanakkor sok esetben az ellenállás több tíz percen keresztül folyamatosan nő, sőt azt tekintik jó szigetelésnek, ahol ez a növekedés nagyobb. Ezért újabban az ellenállás időfüggésének mérését is javasolják. Az abszorpciós áram csökkenésére, ill. az ebből adódó ellenállás növekedésére két jellemzőt is használnak. Ezek a szigetelés aktuális állapotát is mutatják, a határ alattiak az öregedés, a nedvesség beépülés, szennyeződés jelei. 1. Polarizációs index: PI = 10 perces R / 1 perces R Értéke jó szigetelőkben 5 10 körüli 2. Dielektromos / Abszorpciós arány = 60sec R / 30 sec R A jó érték 1,25 feletti 2

3 Ellenállásmérések összeállítása. A mérések összeállításánál ügyelni kell arra, hogy a szigetelt vezetékek mindig a levegőben haladjanak, és sehol se érhessenek egymáshoz, mert ezek a pontszerű érintkezési helyek is párhuzamosan kapcsolódhatnak a mérendő objektummal. Mivel a mérések során viszonylag nagy feszültségek esetén is csak kis áramok folynak, nagy jelentősége van az egyes feszültség alatt álló részek, vezetékek szórt kapacitásainak. Ezért igen gondosan kell árnyékolni a mérőműszer előtti, feszültség alatt álló részeket, mert a környezetben való kis mozgások is szórt kapacitások változásával járnak és - figyelembe véve a körben folyó áram nagyságát - az ezzel előidézett töltőáram befolyásolhatja a mérési eredményeket, ill. megnehezíti a műszerek leolvasását. A táplálófeszültség csak igen sima egyenfeszültség lehet. Már kismértékű (1%-on belüli) változások is jelentős eltéréseket okozhatnak. A fellépő kapacitív áram: dq d( U ) d I c = = = U + dt dt dt Azaz akár a környezet kapacitásának változása (pl. ε rel változása) akár a mérőfeszültség ingadozása jelentősen megzavarhatják a mérési eredményeket. (A kapacitív áram természetesen majdnem mindig elhanyagolhatóan kicsi, de jó szigetelők esetén a mérőáram is csak néhány pa) Fontos még, hogy a méréskor kis ellenállású földelő vezetéket alkalmazzunk és valamennyi objektum földelését egy helyről végezzük. Ezzel elkerülhetjük, hogy földelő vezetékből hurok alakuljon ki, amiben olyan feszültség indukálódhat, ami a különböző berendezések földelt pontjainak potenciálját egymáshoz képest eltolja. Fajlagos térfogati ellenálláson az 1 cm élhosszúságú kocka két szemben fekvő lapja között mérhető du dt ellenállást értjük, ha áram csak az anyag belsejében folyik, és a tér homogén. A definícióban említett feltételeket ún. védőgyűrűs elektródelrendezés segítségével lehet biztosítani. A védőgyűrű szerepe az, hogy a felületen és a tér inhomogén részén átfolyó áramot a műszer megkerülésével vezesse el. Nagyon fontos, hogy az elektródok egész felületükkel tökéletesen felfeküdjenek a szigetelőanyagra. A tökéletlen fölfekvés következtében ui. egyrészt a felület nagysága határozatlan lesz, másrészt diszkrét érintkezési helyek esetén a tér elveszti homogenitását. A 2. ábra Védőgyűrűs elektróda a fajlagos ellenállás mérésére 3

4 minél tökéletesebb érintkezést esetenként higanyelektródokkal, fémbeszórással, grafitozással stb., lehet biztosítani. A szigetelési ellenállást jelentősen befolyásolják a mérési körülmények (hőmérséklet, a levegő páratartalma stb.), ezért csak olyan ellenállásértékeket szabad mértékadónak tekinteni, aminél ezek tisztázottak. A felületi ellenállás elsősorban áramköri modulok hordozóinál fontos adat, hiszen ezeken a vezetőpályák között esetleg csak 0,1mm szigetelőcsík marad, sőt hibrid I-kben még kevesebb. Ennek a vékony sávnak kell a megfelelő szigetelést biztosítani. A felületi ellenállás nem egyértelmű anyagi jellemző, ui. semmilyen elektródelrendezéssel nem tudjuk kiküszöbölni, hogy a külső tényezők. Erősen függ az anyag hőmérsékletétől, a felület állapotától, tisztaságától, a környező levegő nedvességtartalmától. Ezért csak gondosan megtisztított, szárított felületen lehet mérni, a levegő 65 ± 5% relatív nedvességtartalma mellett. Leggyakoribb jellemzés a négyzetes ellenállással történik. Ez a felületre fektetett négyzet szemben levő oldalai között mért ellenállás. Ha feltételezzük, hogy annak a rétegnek a vastagsága, állapota állandó, ami a felületi vezetésben részt vesz, egyszerűen belátható, hogy R független a négyzet méretétől. Jó szigetelők esetében R elég nagy, nehezen mérhető. Ezért úgy tudunk könnyíteni a feladatunkon, hogy több négyzetet párhuzamosan egymás mellé helyezünk. Ez lehet akár több száz is, így 2 3 nagyságrenddel kisebb ellenállást kell megmérnünk. Természetesen így nem egy vonalban, hanem egy un. meander alakzatban készítjük el a mintánkat. Ebben tkp. a vezető hossza 3. ábra fent: a négyzetes ellenállás értelmezése. balra:a meander ábra (sárga a szigetelő, kék a fém elektród). jobbra: az IP szabvány szerinti minta NYÁK felületi R mérésére 4

5 (l) a két elektród távolsága, a szélessége pedig a feltekert csík hossza (d). d/l épp a párhuzamosan kapcsolt négyzetek számát adja. Veszteségi tényező és permittivitás vizsgálata Váltakozófeszültség rákapcsolása esetén a kialakuló térerősség hatására a töltéshordozók elmozdulnak, vándorlásba kezdenek. A szigetelőanyagban váltakozófeszültségen is létrejön a vezetés valamint a polarizáció. Egy-egy félperiódus alatt a vezetés és a polarizáció is olyan mértékig alakulhat ki, amire az adott idő alatt lehetőség van. Mind a vezetés, mind a polarizáció energiát fogyaszt, ezáltal a szigetelésben veszteség keletkezik. Definíció szerint tgδ veszteségi tényező (más néven D: disszipációs faktor) a hatásos és a meddő áram-komponensek hányadosa. Fizikailag a kondenzátor feltöltése majd kisütése során a villamos energia egy része hővé alakul, ennek jellemzésére alkalmas a veszteségi tényező. A veszteségi teljesítmény P = U I tgδ = U ω ε tgδ 2 v c 0 Ahol 0 az eszköz geometriai kapacitása. Ebben az összefüggésben szétválasztható az egyenlet az anyagi minőségtől független (U 2 ω 0), és egy attól függő részre (ε tgδ). A veszteségi tényezőt jelentősen befolyásoló tényezők közül a frekvencia, és a hőmérséklet hatását 5. ábra A polarizáció frekvenciafüggése vizsgáljuk részletesebben. Mint ismert, a polarizációfajták kialakulásához jellegüktől függően különböző idő szükséges. A frekvencia növekedését tehát nem minden polarizáció tudja követni, hanem különböző frekvenciákon, egy-egy rezonanciához hasonló jelenség után már eltűnnek. Olyan anyagoknál, ahol a veszteség létrejöttében a polarizáció dominál, ez a jelenség a veszteségi tényező és a permittivitás változásában is tükröződik. A veszteségi tényező vizsgálata felvilágosítást nyújthat a veszteségek veszteségek eredetéről, a frekvencia függvényében végzett vizsgálatok képet adhatnak az anyagszerkezettel összefüggő kérdésekről, tehát a szigetelés állapotáról. Kerámia dielektrikumok 4. ábra A veszteségi szög A kerámia kondenzátorokban dielektrikumként döntően un. titanát kerámiákat használnak. Természetesen egyik fő alapanyag a TiO 2, de a különböző igények kielégítésére még néhány 5

6 jellegzetes oxidot alkalmaznak. A kondenzátorokat alapanyagaik tulajdonságai miatt két fő csoportba oszthatjuk: Az I típus jellemzői: közepesen nagy relatív permittivitás ( ) kis veszteségi tényező (tgδ< 810-4, 1 MHzen mérve) hőmérsékletfüggése lineáris, a TK értéke +150 és között változik. fajlagos ellenállásuk nagyobb Ωcm-nél a fenti paraméterek nagy stabilitással rendelkeznek Ezek a kondenzátorok kiváló nagyfrekvenciás tulajdonságaik miatt elsősorban rezgőkörökben alkalmazhatók, kb. 100 Mhz frekvenciáig. A polikristályos TiO 2-nek kb. 110-es ε mellett ppm- es TK-ja van. Ha javítani akarunk a hőmérsékletfüggésen, általában MgO-t adagolunk hozzá, amelynek pozitív a TK-ja, de ezzel ε is lecsökken alá. A II típus jellemzői: igen magas relatív permittivitás ( ) közepes veszteségi tényező (tg δ < ) a permittivitás jelentősen függ a hőmérséklettől, és a kapcsolat nem lineáris a urie-hőmérséklet felett lecsökken az ε r a fajlagos ellenállás nagyobb Ωcm-nél a névleges adatok körül jelentős szórás tapasztalható ( % tűrés is lehet) ε r függ a feszültségtől a kristály doménszerkezete miatt az anyagok ferroelektromos tulajdonságúak. Legismertebb képviselőik: BaTiO 3(bárium-titanát), SrTiO 3(stroncium-titanát), PbZrO 3(ólom-cirkonát). A BaTiO 3 permittivitásának hőmérsékletfüggéséből látszik, miért nem várható lineáris TK ezektől az anyagoktól. 6. ábra A permittivitás és a veszteségi tényező hőmérséklet-, frekvencia- és feszültségfüggése a két dielektrikum típusra vonatkozóan. 6

7 Mérési feladat 1/ Fajlagos ellenállás A kapott minták műanyag lapok, NYHL hordozók, üveg-, kerámia lapok. Ezek közül 6 db ellenállásának mérése közvetlen leolvasású műszerrel, ebből ρ kiszámítása (a belső elektróda = 73,5mm, így minden itt mért mintánknál A = 42,43 cm 2 ) (1 táblázat 1 4 oszlop) 2/ Polarizációs index Az előző minták közül kiválasztanak kettőt, olyanokat, amelyeknél az 1 perces mérés során különböző volt az ellenállás-növekedés. Ezeknek 10 percig folyamatosan mérjük az ellenállását, grafikonon ábrázoljuk és kiszámítjuk a polarizációs indexet. 3/ Felületi ellenállás Üveghordozóra párologtatott vezetőhálózat és NYHL-re maratott rajzolaton. A két elektródra egy tűs mérőfejjel csatlakozunk. R -et számítjuk a geometriai arányok ismeretében. 4/Dielektromos állandó és veszteségi tényező az 1/ feladatban megmért mintákat használjuk. (1. táblázat, oszlop) Mérés 100 khz-es mérőhíddal. A műszerről közvetlenül leolvasható a kapacitás () és a veszteségi tényező (D). A relatív permittivitás kiszámítása: Elvileg ε rel = anyag levego A mérőszonda elektródái közé befogjuk a mintadarabot, anyag-ot leolvassuk. A minta vastagságát a mérőfejen levő mikrométeren megjegyezzük és a levegő-kondenzátor ( levegő ) mérésnél ugyanoda állítjuk vissza. (További mérési tanácsok a műszerismertetőben.) A mérés során nem tudjuk kiküszöbölni a mérőfej saját kapacitását. Ezt egy párhuzamosan kapcsolt kondenzátornak tekintjük ( ház), és értékét ki kell vonnunk mindkét mért adatból ( anyag, és levegő) Mivel nagysága kicsit változik a vastagsággal, ezért értékét méréssel kell meghatároznunk, a következőképpen: Ha csak A és B pont között tudunk mérni, mindig csak a két kapacitás összegét tudjuk. Legalább az egyik kapacitást tudnunk kell, hogy a másikat kiszámíthassuk. A levegő a geometriai adatokból számítható és ezt mérve megkapható a ház kapacitása ( ház). Ezzel a korrekcióval már számítható a minta permittivitása: ε rel = anyag levego ház ház vagy: ε rel = anyag ház levego számitott (A számított értékek a jegyzőkönyvi táblázat alatt megtalálhatók.) 7

8 5/ Kerámia tárcsakondenzátor permittivitás és veszteségi tényező frekvenciafüggésének mérése A kikészített kondenzátorok közül (korábbi hallgatói munkák) kettőt kiválasztunk és a HIOKI es műszeren 100 Hz és 5 MHz között megmérjük a kapacitását és a veszteségi tényezőt. A műszer kezelését a gyakorlatvezető mutatja meg. Az 1 MHz-en mért adatokat 0-nak és D 0 tekintve számítjuk és ábrázoljuk a / 0 és a D/D 0 értékeket. Ehhez tervezzék meg önállóan a grafikont! Ellenőrző kérdések Sorolja fel és értelmezze a szigetelőanyagok jellemző tulajdonságait. Hol van szerepe a felületi ellenállásnak, és milyen tényezők csökkenthetik az értékét? Mi a négyzetes ellenállás? Egy rajzon mutassa be, hogy nagysága nem függ az oldalhossztól! Mi a polarizációs index, mi az eredete, mit tudhatunk meg belőle? Melyek a legfontosabb méréstechnikai szempontok a szigetelési ellenállás mérésekor? Mi a kapacitív áram, mi az eredete? Mi a permittivitás és a veszteség anyagszerkezeti oka? Milyen típusai vannak a dielektromos veszteségnek? Melyek a polarizáció alaptípusai? Mi a veszteségi teljesítmény, mitől függ? Jellemezze az I. és II. típusú kerámia dielektrikumokat villamos tulajdonságok és jellemző összetétel szerint! Mi a ferroelektromosság? 8

9 Szigetelőanyagok vizsgálata Mérést végezte: (név, neptun kód, laborcsoport Gyakorlatvezető: Mérés ideje: Érdemjegy: 1. és 4. feladat: dielektromos jellemzők minta neve d(mm) (vastags ág) R(Ω) ρ(ωm) (pf) lev mért lev számított ház ε rel D A számításhoz használt összefüggések: (Az ismert adatokat, nagyságrendi átszámításokat helyettesítse be, az állandókat vonja ρ = össze, csak d -t (mm-ben) és R -t MΩ-ban) kelljen behelyettesíteni!) Tapasztalatok, az eredmények értékelése. A lev számított értékei: Vastagság mm 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4 számított pf (Ωm) , , ,4 19,2 15,4 12,8 11 9,6 2. feladat: Polarizációs index idő 10s 20s 30s 40s 50s 1p 2p 3p 4p 5p 6p 7p 8p 9p 10p R 1 R 2 9

10 1-es minta neve:... PI 1 = polarizációs index 2-es minta neve:.. PI 2 = (ha nagy az eltérés a két ellenállás között, a jobb és bal oldalon különböző skálát alkalmazhat) ellenállás idő (perc) 1. feladat: Felületi ellenállás Minta neve d/l R mért Ω R négyzet Ω Tapasztalatok, az eredmények értékelése.. 5/b feladat: Kerámia kondenzátorok: ε és D (tgδ) frekvenciafüggése Frekvencia D (tgδ) ε/ε o / 0 D/ D 0 D (tgδ) ε/ε o / 0 D/ D 0 0,1 khz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz MHz Megj: A relatív változáshoz nem kell kiszámítanunk a dielektromos állandókat, hiszen ε/ε o = / o A számított adatok grafikus ábrázolása. Tervezze meg, milyen grafikon(ok)on lehet pontosan, szemléletesen ábrázolni az eredményeket! (Mit ábrázol a tengelyeken, milyen léptékben, hány görbe fér egy diagramba, stb.) Lehet excelben vagy kézzel, mm papíron. 10