SZIGETELŐANYAGOK VIZSGÁLATA Szigetelési ellenállás mérése A villamos szigetelőanyagok és szigetelések egyik legfontosabb jellemzője a szigetelési ellenállás. Szigetelési ellenálláson az anyagra kapcsolt egyenfeszültség és a kapcsolást követő 1 perc elteltével leolvasott áramérték hányadosát értjük. Azért fontos az árammérő műszer leolvasásának -a feszültség rákapcsolásától számított - idejét pontosan meghatározni, mert a polarizáció miatt a körben folyó áram esetenként igen hosszú ideig változhat. A változás olyan mérvű lehet, hogy a leolvasási idő be nem tartása a számított ellenállásértékben több nagyságrend eltérést okozhat. Az 1 perces érték megállapodás, a mérések egyszerűsítését és az összehasonlíthatóságot szolgálja. Meg kell azonban jegyezni, hogy az így kapott érték nem azonos az anyag tényleges szigetelési ellenállásával, ami a feszültség és a szivárgási áram hányadosa. Szigetelőanyag-minták mérése esetér az elektródok elrendezésétől függően három fajta ellenáilást különböztetünk meg, ezek: a) fajlagos térfogati ellenállás b) felületi ellenállás; c) belső ellenállás. Szigetelési ellenállást kész berendezéseken is mérnek, ez azonban az elektródok alakja, s a kialakuló tér különbözősége miatt csak adott darabok öregedésének, állapotának ellenőrzése, ill. azonos gyártmánytípuson belül ez egyes darabok minősítésére, összehasonlítására szolgál. Fajlagos térfogati ellenálláson az 1 cm élhosszúságú kocka két szembenfekvő lapja között mérhető 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 minél tökéletesebb érintkezést esetenként higanyelektródokkal, fémbeszórással stb.,
lehet biztosítani. A mérés során a szigetelőanyag vastagságától és minőségétől függő nagyságú feszültséget használunk, általában 500, -1000 (-2000) V-ot. A szigetelési ellenállást jelentősen befolyásolják a mérési körülmények (hőmérséklet, a levegő páratartalma stb.), ezért csak olyan ellenállásértékeket szabad mértékadónak tekinteni, aminél ezek tisztázottak. Felületi ellenálláson a szabvány szerint a szigetelőanyagra fektetett 2 db 100 mm hosszúságú, egymástól 10 mm távolságra levő párhuzamos elektród között mért ellenállásértéket értjük A felületi ellenállás nem egyértelmű anyagi jellemző, ui. semmilyen elektródelrendezéssel nem tudjuk kiküszöbölni, hogy a felületen kívül az anyag belsejében is folyjék áram. A felületi ellenállásra igen nagy hatással vannak 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. Ellenállásmérések összeállítása. A mérések összeállításánál és végzésénél mindig szem előtt kell tartani, hogy a mérendő - jó minőségű - szigetelőanyagok ellenállása a műszerek és a mérővezetékek szigetelési ellenállásával közel azonos nagyságú lehet. Ügyelni kell arra, hogy a szigetelt vezetékek is mindig a levegőben haladjanak és sehol se érhessenek egymáshoz, mert ezek a pontszerű érintkezési helyek is párhuzamosan kapcsolódhatnak a mérendő objektummal. Valamennyi párhuzamosan kapcsolódó ellenállásnak (különböző szóbajöhető áramutak) nagyságrendileg meg kell haladnia a mérendő eszköz várható ellenállását. 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( CU ) dc du I c = = = U + C dt dt dt dt Azaz akár a környezet kapacitásának változása (pl. ε változása) akár a mérőfeszültség ingadozása jelentősen megzavarhatják a mérési eredményeket. Fontos még, hogy a méréskor kis ellenállású földelővezetéket alkalmazzunk és valamennyi objektum földelését egy helyről végezzük. Ezzel elkerülhetjük, hogy földelővezetékből hurok
alakuljon ki, amiben olyan feszültség indukálódhat, ami a különböző berendezések földelt pontjainak potenciálját egymáshoz képest eltolja. 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 a hatásos és a meddő áram-komponensek hányadosa. A veszteségi teljesítmény P = U I tgδ = U ω C ε tgδ 2 v c 0 Ahol C 0 az eszköz geometriai kapacitása. így szétválasztható az egyenlet az anyagi minőségtől független (U 2 ωc 0 ),és egy attól függő részre (εtgδ). A veszteségi tényezőt jelentősen befolyásoló tényezők közül a frekvencia, a hőmérséklet és a feszültség hatását 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 eredetéről, a frekvencia függvényében végzett vizsgálatok a polarizációk intenzitásáról és spektrális eloszlásáról, azaz az anyagszerkezettel összefüggő lényeges kérdésekről, tehát képet adhat a szigetelés állapotáról.
Kerámia dielektrikumok A kerámia kondenzátorokban dielektrikumaként döntően un. titanát kerámiákat használnak. Természetesen egyik fő alapanyag a TiO 2, de a különböző igények kielégítésére még néhány jellegzetes oxidot alkalmaznak. A kondenzátorokat anyagaik miatt két fő csoportba oszthatjuk: Az I típus jellemzői: közepesen nagy permittivitás (15...200) kis veszteségi tényező (tgδ< 8 10-4, 1 MHz-en mérve) hőmérsékletfüggése lineáris, a TK értéke +150 és -2000 10-6 között változik. fajlagos ellenállásuk nagyobb 10 10 ohmcm-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 -800 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 20..40 alá. A II típus jellemzői: igen magas relatív permittivitás (1000...20 000 ) közepes veszteségi tényező (tg δ <25 10-3 ) a permittivitás jelentősen függ a hőmérséklettől, és a kapcsolat nem lineáris a fajlagos ellenállás nagyobb 10 10 ohmcm-nél a névleges adatok körül jelentős szórás tapasztalható (-20... +80% tűrés is lehet) ε függ a feszültségtől a kristály doménszerkezete miatt Ezek az anyagok ferroelektromos tulajdonságúak, legismertebb képviselőik: BaTiO 3, SrTiO 3, PbZrO 3, stb. A BaTiO 3 permittivitásánk hőmérsékletfüggéséből látszik, miért nem várható lineáris TK ezektől az anyagoktól.
Ellenőrző kérdések Sorolja fel és értelmezze a szigetelőanyagok jellemző tulajdonságait. Hol van szerepe a felületi ellenállásnak, és milyen tényezők csökkenthetik az értékét? Melyek a legfontosabb méréstechnikai szempontok a szigetelési ellenállás mérésekor? Mi a permittivitás és a veszteség anyagszerkezeti oka? Jellemezze az I. és II. típusú kerámia dielektrikumokat villamos tulajdonságok és jellemző összetétel szerint! Mi a ferroelektromosság?