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 500 1000V, 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 10 13 10 16 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. 10 16 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
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 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 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. 2
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: I c dq dt d( U ) dt d U dt du dt Azaz akár a környezet kapacitásának változása (pl. ε 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 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 2. ábra Védőgyűrűs elektróda a fajlagos ellenállás mérésére érintkezést esetenként higanyelektródokkal, fémbeszórással, grafitozásal 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. 3
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 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. A szabvány szerint felületi ellenálláson a szigetelőanyagra fektetett 2 db 100 mm hosszúságú, egymástól 10 mm távolságra levő párhuzamos elektród között mért ellenállásértéket értjük. A gyakorlaton, hogy a mért ellenállásunk kisebb legyen, egymáshoz közelebbi és hosszabb 3. ábra Vezetőhálózat elektródcsíkokon mérünk. (A 3. ábrához hasonló mintákat használunk, a a felületi ellenállás fekete csík az elektród, fehér a szigetelő felülete. A könnyebb kezelés érdekében méréséhez a szigetelőcsíkot szerpentin alakra feltekertük.) Ebből az un. négyzetes ellenállást számíthatjuk. Ezt az elrendezés úgy tekinthetjük, mintha több négyzet alakú felületrészt egymás mellé helyeznénk és párhuzamosan kapcsolva mérnénk az ellenállásukat. (Belátható, hogy egy, a felületen kijelölt négyzet ellenállása független a négyzet nagyságától, feltéve, hogy a vezető réteg vastagsága állandó.) A rajz szerinti mintán d a szigetelőcsík szélessége, mérés szempontjából a vezető hossza, 7l pedig vezető keresztmetszete (feltételezve egy állandó felületi rétegvastagságot). Így a négyzetes ellenállás a mért érték l/d-szerese, pl. az említett szabványos mérésnél a 10-szerese. 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 tg U 2 v c 0 tg 4. ábra A veszteségi szög 4
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 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 A kerámia kondenzátorokban dielektrikumként döntően un. titanát kerámiákat használnak. Természetesen egyik fő alapanyag a TiO 2, de a különböző igények kielégítésére még néhány jellegzetes oxidot alkalmaznak. A kondenzátorokat alapanyagaik tulajdonságai miatt két fő csoportba oszthatjuk: Az I típus jellemzői: közepesen nagy relatív permittivitás (15...200) kis veszteségi tényező (tg< 8 10-4, 1 MHz-en mérve) hőmérsékletfüggése lineáris, a TK értéke +150 és -2000 10-6 között változik. fajlagos ellenállásuk nagyobb 10 10 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 mellett -800 ppm- es TK-ja van. Ha javítani akarunk a hőmérsékletfüggésen, általában MgO-t adagolunk hozzá, amelynek pozitív a TK-ja, de ezzel is lecsökken 20..40 alá. A II típus jellemzői: igen magas relatív permittivitás (1000...20000) közepes veszteségi tényező (tg <25 10-3 ) 5. ábra A polarizáció frekvenciafüggése a permittivitás jelentősen függ a hőmérséklettől, és a kapcsolat nem lineáris 5
a fajlagos ellenállás nagyobb 10 10 Ωcm-nél a névleges adatok körül jelentős szórás tapasztalható (-20... +80% tűrés is lehet) r függ a feszültségtől a kristály doménszerkezete miatt az anyagok ferroelektromos tulajdonságúak. Legismertebb képviselőik: BaTiO 3(báriumtitanát), 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. 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? 6
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, 5 10. oszlop) Mérés 100 khz-es mérőhíddal. A műszerről közvetlenül leolvasható a kapacitás () és a veszteségi tényező (D). A relatív permittivitás kiszámítása: Elvileg 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, és értékét ki kell vonnunk mindkét mért adatból ( anyag, levegő) Mivel nagysága kicsit változik a vastagsággal, ezért értékét méréssel kell meghatároznunk, a következőképpen: Ha csak A és B pont között tudunk mérni, legalább az egyik kapacitást tudnunk kell, hogy a másikat kiszámíthassuk. A levegő a geometriai adatokból számítható és ezt mérve megkapható a ház kapacitása ( ház számítható a minta permittivitása: ). Ezzel a korrekcióval már rel anyag levego ház ház vagy: rel anyag ház levego számitott 7
(A számított értékek a jegyzőkönyvi táblázat alatt megtalálhatók, ha az adott mintánk vastagsága épp két kerek érték között van, mérjük meg levegő -t a legközelebbi kerek értéknél is és az itt kapott ház -t használjuk.) 5/ Kerámia tárcsakondenzátor permittivitás és veszteségi tényező frekvenciafüggésének mérése A kikészített kondenzátorok közül (korábbi hallgatói munkák) kettőt kiválasztunk és a HIOKI 3532- 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! 8
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() (m) (pf) lev mért lev számított ház ε rel D A számításhoz használt összefüggések: (Az ismert adatokat, nagyságrendi átszámításokat helyettesítse be, az állandókat vonja = ----------- össze, csak d -t (mm-ben) és R -t M-ban) kelljen behelyettesíteni!) Tapasztalatok, az eredmények értékelése. (m) 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 77 64 55 48 38,5 32 27,5 26 24 21,4 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
ellenállás 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) 0 2 4 6 8 10 12 idő (perc) 1. feladat: Felületi ellenállás Minta neve l/d R mért R négyzet Tapasztalatok, az eredmények értékelése.. 5/b feladat: Kerámia kondenzátorok: és D (tg) frekvenciafüggése Frekvencia D (tg) ε/ε o / 0 D/ D 0 D (tg) ε/ε o / 0 D/ D 0 0,1 khz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 1 1 1 1 5 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.) 10