Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- vlhkost:navlhani [2023/12/15 23:18] – vytvořeno - upraveno mimo DokuWiki 127.0.0.1
+++ vlhkost:navlhani [2023/12/16 20:29] (aktuální) – upraveno mimo DokuWiki 127.0.0.1
@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
+====== Degradační působení vody ======
+[[vlhkost:Literatura|[1]]]
+===== Vlhkost v izolantu =====
+K hodnocení vlivu vlhkosti na elektrické vlastnosti tuhých izolantu je nutné  přistupovat z  hlediska vazby
+mezi sorbovanou  vodou a  tuhou fází a s ohledem na proměnnosti elektrických  vlastností v průběhu navlhání.
+Vazbu vody v materiálu lze hodnotit z hlediska:
+__Makroskopického modelu__
+[{{:obr:3_17.jpg?nolink&150  |Obr.1 Makroskopický model dielektrika}}]V tomto  modelu je sorbovaná  voda považována za izolovanou složku v materiálu a nebere se zřetel na  molekulární
+charakter adsorbované vody a na formy vazby molekul vody s materiálem. Předpokládá se, že suchá substance, voda a
+ vzduch se ve vlhkém  materiálu vyskytují izolovaně a navzájem se neovlivňují. Ve skutečnosti v místech vazby
+vody  s materiálem má materiál jiné  dielektrické  vlastnosti  než suchý materiál.  Kromě toho  se mění
+vlastnosti vody rozpuštěné v materiálu. Makroskopický  model  je  tedy  značné  zjednodušení  a skutečný stav
+přibližuje velmi omezeně. Je  však názorný  a alespoň  kvalitativně vysvětluje  některé závislosti
+pozorované v  rovnovážných soustavách vodní pára  izolant.
+<BOOKMARK:rp><BOOKMARK:tp>
+__Mikroskopického modelu__
+Mikroskopický model rozlišuje dvě základní vazby vody v elektroizolačních materiálech. Schématické znázornění
+[{{  :obr:3_18.jpg?nolink&150|Obr.2 Mikroskopický model dielektrika}}]těchto  vazeb, ve formě řezů je na obr. 2. Zobrazení představuje izolant s vrstvenou strukturou. Příkladem
+pro tento druh struktury mohou být vrstvené tvrzené  papíry nebo tkaniny. Vodivé kanálky jsou orientované ve
+směru vrstev. Zobrazení b, c  představuje rozložení vody ve sférických  nebo elipsoidních  dutinkách. S  tímto rozložením vody v materiálu se můžeme setkat u [[slovnik:start#rp|reaktoplastů]] a [[slovnik:start#tp|termoplastů]].
+__Molekulárního modelu__
+Molekulární model  se dívá na  navlhlé dielektrikum jako  na homogenní systém, v němž  se všechny složky
+materiálu společně  podílí na dielektrických vlastnostech izolantu. Většina teorií  o vlivu vlhkosti  na
+elektrické parametry  izolantů je založena  na  makroskopických,  ojediněle  na  mikroskopických, představách
+o rovnováze mezi sorbovanou a tuhou fází. Nerespektují tedy výjimečné vlastnosti rozhraní a vzájemné vztahy
+mezi sorbovanou a tuhou fází.
+==== Vliv vlhkosti na vnitřní odpor ====
+=== Makroskopický model ===
+Pro vyjádření  závislosti vnitřního odporu na  obsahu vody v materiálu vyjdeme nejdříve z makroskopického
+modelu(([[vlhkost:literatura|kompletní odvození je v [1]]])). Nechť jednotková krychlička materiálu  je tvořena  vrstvou suché  substance o  tloušťce **d<sub>s</sub>**,  vrstvou
+vody o tloušťce **d<sub>v</sub>** a vrstvou vzduchu tloušťky **d<sub>vz</sub>**
+Pro paralelní uspořádání jednotlivých složek v krychličce je odpor **R** (~~rov.#~~):
+ <m 15>  1/R = {d_s/{rho}_s}+{d_v/{rho}_v}+{d_vz/{rho}_vz}  </m>
+a pro sériové uspořádání složek (~~rov.#~~):
+ <m 15>  R = d_s{rho}_s + d_v{rho}_v + d_vz{rho}_vz </m>
+Ve skutečnosti jsou jednotlivé složky uspořádány v materiálu nepravidelně. Pro elektrický odpor potom
+platí obecný vztah (~~rov.#~~):
+ <m 15>  R^k = d_s{{rho}_s}^k + d_v{{rho}_v}^k + d_vz{{rho}_vz}^k  </m>
+Konstanta **k** odpovídá uspořádání elektrod a může se pohybovat v rozmezí  <1, -1>.
+Předpokládejme, že při změně obsahu vody v materiálu zůstane d<sub>s</sub> konstantní a bude se měnit
+d<sub>v</sub> a d<sub>vz</sub>. Obsah vlhkosti vody v materiálu můžeme vyjádřit vztahem (~~rov.#~~):
+ <m 15> {Psi} = M_v/{M_v + M_s} </m>
+Po dosazení tohoto vztahu do rov.4 přejde tato rovnice do tvaru (~~rov.#~~):
+ <m 15>  1/R = {{Psi}/{1 - {Psi}}}A + B  </m>
+kde ((s<sub>v</sub> a s<sub>s</sub> jsou měrné hmotnosti vody a suchého materiálu))
+<m 15>  A = {{s_s/s_v}d_s}{({1/{rho}_v}-{1/{rho}_vz})}  </m>
+<m 15>    B = d_s{{({1/{rho}_v}-{1/{rho}_vz})}+{1/{rho}_vz}}  </m>
+Vzhledem k tomu že  <m 18>rho_vz</m> je mnhem větší než  <m 18>rho_v</m> je celková vodivost **1/R**
+stoupající funkce koncentrace vody v materiálu. Výraz **A** ovlivňuje strmost této funkce a konstanta
+**B** nastavuje její počátek:
+<WRAP center 30%>
+[{{:obr:3_20.jpg?nolink&250|Obr.3 Závislost izolačního odporu na provlhnutí dielektrika}}]
+</WRAP>
+=== Mikroskopický model ===
+Při odvození vnitřního odporu pro mikroskopický model musíme provest zjednodušení, které spočívá v tom,
+že kanálky v jednotkové krychličce nahradíme jediným kanálem(([[vlhkost:literatura|kompletní odvození je [1]]])) (~~rov.#~~):
+ <m 15>  l_c = k.l_j </m>
+Koeficient **k**respektuje to, že kanálky nespojují elektrody nejkratší cestou. Průřez kanálku nechť
+je ~~rov.#~~:
+ <m 15> S_k = V_k/kl_c </m>
+Odpor kanálku mužem vyjádřit vztahem (~~rov.#~~):
+ <m 15>  R_k = {rho_v{{(kl)^2}/V_k}}  </m>
+Se zvětšováním obsahu vody v kanálcích  by se měl odpor podle tohoto vztahu zmenšovat. Ve skutečnosti
+současně se zvětšováním množství vody v materiálu se zmenšuje  koeficient k, který  respektuje nerovnost
+kanálků.  To souvisí s naplňováním kanálků vodou a tedy zkrácením efektivních vodivých cest. Výchozí
+předpoklad navlhání je platný jen pro materiály, jejichž vodivé kanálky spojují obě elektrody.
+Neplatí pro materiály s ojedinělými přibližně sférickými nebo  elipsoidálními dutinkami na plněnými vodou,
+Při výpočtu odporu krychličky s nahodile rozloženými  dutinkami  si  pro  zjednodušení představme, že
+v materiálu je **n** dutinek  kulového tvaru s průměrem **d**. V  [[vlhkost:literatura|[1]]]
+je odvozeno, že odpor jedné kulové dutinky naplněný vodou **R<sub>1</sub>** je (~~rov.#~~):
+ <m 15> R_1 = {rho}_v{2/{{pi}d}}  </m>
+Připustíme-li, že dutinky naplněné vodou nespojují spojitě elektrovody, musíme zároveň připustit že o odporu
+rozhoduje hlavně odpor izolantu.
+Z předcházejících úvah by vylívalo, že voda v izolantu neovlivňuje podstatně odpor izolačního materiálu.
+To ale vzhledem k předcházejícímu výkladu o navlhání ve skutečnosti neplatí. Experimentálně byla mezi
+navlhnutím izolantu a jeho odporem byla prokázána. Dá se vyjádřit vztahem  (~~rov.#~~):
+ <m 15>  log{1/R} = a - b{psi}  </m>
+kde **a**,  **b** jsou konstanty,  které závisí na  uspořádání elektrod, podmínkách měření,  vlastnostech
+materiálu  a  obsahu vlhkosti  <m 18>psi</m> v materiálu. Rovnice 10 se dá vztáhnout  nejenom na materiály
+s homogenním rozložením vlhkosti (např. plastické hmoty), nýbrž  i na izolanty se silně nehomogenním
+rozložením (anorganické nebo méně porézní materiály jako např. keramika).
+Množství vlhkosti  přijaté keramikou  je daleko  menší než množství přijaté organickou plastickou hmotou.
+Přesto právě u keramiky  je pokles odporu velmi značný. Je to způsobeno  tím, že keramika mění v důsledku
+hydratace vrstvu vlhkosti v elektrolyt. Tento jev není u plastických hmot běžný.
+Rovnice 10 platí v oboru vlhkosti,  v němž je voda v materiálu hygroskopicky vázána.  Na tento "vlhký"
+obor navazuje "mokrý"  obor, sahající od hygroskopického nasycení do vlhkosti,  kterou je materiál
+maximálně schopen pojmout.  Závislost vodivosti  na obsahu  vlhkosti souvisí  i s formou vody v materiálu.
+U  kapilárně  porézních  látek přestává platnost vztahu  přibližně v oblasti, kde se  začíná projevovat
+kapilární kondenzace a  kde tudíž zřetelně  začíná "mokrá oblast".
+Zvyšování   elektrické   vodivosti   se vzrůstajícím obsahem vody  lze  objasnit i
+tak, že pohlcená voda  rozpouští a disociuje některé složky materiálu.  To se projeví zvýšením její
+elektrolytické vodivosti. Koncentrace elektrolytu klesá se vzrůstajícím obsahem vody vlhké látky a
+tím vzrůstá vodivost, neboť elektrická  vodivost vysoce koncentrovaných vodních roztoků vzrůstá se
+zmenšující se koncentrací.
+==== Vliv vlhkosti na povrchový odpor ====
+<BOOKMARK:vre>
+Elektrická vodivost na povrchu izolantu má převážně charakter iontového proudu, přičemž na povrchový
+odpor izolantu má podstatný vliv vrstvička adsorbované vody na jeho povrchu. Povrchová vodivost
+izolantu závisí hlavně na vlhkosti  okolního prostředí. Povrchový  izolační odpor se  málo mění
+se změnami  teploty okolí,  ale značně  se mění  se změnami  [[slovnik:start#vre|relativní vlhkosti vzduchu]]
+v blízkosti povrchu izolantu.
+Množství adsorbované vlhkosti na  povrchu fenolových pryskyřic a mnoha dalších
+organických materiálů roste úměrně  s tlakem vodních par. Při přibližně dvojnásobném tlaku vodních
+par je na izolantu adsorbováno dvakrát tolik vody. Se stoupajícím tlakem vodních par se však
+značně rychleji zvětšuje povrchová vodivost  dielektrika. Bylo např. zjištěno,  že u
+fenolických lisovacích hmoty při zvýšení tlaku vodních par v poměru 1 : 1,8 vzroste povrchová
+vodivost přibližně v poměru 1 : 1000  [[vlhkost:literatura|[4]]]:
+Na iontovou vodivost má vliv i teplota. Se vzrůstem teploty se zvětšuje, vlivem menšího tření,
+pohyblivost  iontů ve vodní vrstvičce adsorbovaném na povrchu izolantu a může se  zvětšit i stupeň
+disociace. Vodivost vzrůstá s teplotou podle vztahu  (~~rov.#~~):
+ <m 15>  {gamma}_p = e^{-{E_a/T}}  </m>
+[{{  :obr:3_21.jpg?nolink&150|Obr.4 Izolační odpor povrchové vrstvy}}]Zvýší li se teplota nad 60  <sup>o</sup>C,  zvětšení měrné vodivosti se s rostoucí teplotou  snižuje.
+Lze  to vysvětlit  tím, že  nad touto  teplotou se vypařuje z adsorbované vrstvičky větší množství
+molekul  vody než při nižších teplotách. Tloušťka vodního filmu vytvořeného na povrchu izolantu závisí
+nejen na relativní  vlhkosti okolního  vzduchu,  nýbrž  i na  vlastnostech materiálu a vlastnostech jeho
+povrchu. Povrchový izolační odpor se pak skládá z povrchového izolačního odporu  samotného materiálu a
+z izolačního odporu vodního filmu  adsorbovaného na povrchu. Celkový odpor  této paralelní kombinace je
+(~~rov.#~~):
+==== Vliv vlhkosti na permitivitu ====
+Pro navlhlé dielektrikum by se dala obdobným postupem jako u vnitřního odporu odvodit závislost permitivity
+na stupni provlhnutí materiálu. Byl by to však  formální vztah nevystihující  skutečné poměry v  izolantu.
+Voda je totiž zejména v organických hmotách  homogenně a molekulárně rozptýlená. To se musí projevit v
+celkové permitivitě navlhlého izolantu.
+<BOOKMARK:rhof>
+Vodivost čisté kapalné vody je  dána schopností disociace molekul vody na ionty. Důsledkem této disociace
+je vysoká permitivita vody. S přihlédnutím k   [[slovnik:start#rhof|van't Hoffově vztahu]] je stupeň disociace vody
+<m 15>alpha</m> exponenciálně závislý na dielektrické konstantě (~~rov.#~~):
+<m 15>  {alpha} = e^{-{a/{{epsilon}_c T}}}  </m>
+kde **a** je materiálová konstanta a **T** je teplota.
+Předpokládáme-li, že i voda sorbovaná v izolantu je schopná disociace, potom s rostoucím obsahem vody
+v  materiálu musí vzrůstat i permitivita navlhlého izolantu.
+==== Vliv vlhkosti na elektrickou pevnost ====
+K elektrickému  průrazu dielektrika dochází v  místě největšího elektrického namáhání. Toto místo může
+být dáno buď tvarem elektrod způsobující méně příznivé rozložení  elektrického pole nebo  vadnými místy
+v  dielektriku.Izolant lze považovat za nehomogenní dielektrikum mající charakter disperzní látky. Některé
+izolanty  jsou vrstvenými dielektriky. Jiné, pozorujeme-li je jen v elementárních výsecích, si lze pro
+zjednodušení představit jako vrstvené dielektrikum. V jednotlivých vrstvách elektricky  namáhaného izolantu
+je napětí rozděleno nepřímo úměrně k permitivitě jednotlivých vrstev. Tak např. vrstvička vzduchu nebo vodní páry ve vrstvené papírové izolaci musí udržovat dvakrát  tak vysoké  napětí než  vrstvička papíru  stejné tloušťky, ačkoli jeho
+elektrické průrazné napětí nedosahuje  ani poloviny průrazného napětí papíru.
+Je-li  izolant trvale  pod napětím,  není velké  nebezpečí, že by mohl podstatněji navlhnout. Vnikne-li do
+izolantu vlhkost v takovém množství, že by mohla  způsobit zvětšení jeho  vodivosti, proud  tekoucí izolantem
+začne izolant vysoušet.
+Zcela jinak se však chová izolant, který je pod napětím jen periodicky nebo dočasně.  Přiložíme-li na  provlhlý
+izolant napětí, musí toto napětí udržet nenavlhlé nebo málo navlhlé složky materiálu. Záleží na tom, jsou-li
+dutinky nebo kanálky  v  materiálu  vyplněné kapalnou vodou  a  jsou-li  orientovaný  ve směru elektrického
+pole. Jeli  tomu tak, pak je elektrická pevnost velmi malá.  Jsou-li dutinky  nebo kapiláry izolantu naplněny
+vodní párou a nikoliv kapalnou vodou, neliší  se, vzhledem k téměř  stejné permitivitě  suchého vzduchu a
+vzduchu nasyceného vodní párou, poměry v dielektriku od poměrů jaké existují v nenavlhlém dielektriku.
+Elektrická pevnost bude ovlivňována jen nižším ionisačním prahem v dutinkách naplněných vodní párou. Je třeba také
+uvážit to, že vlivem navlhání  dielektrika  se  zvětšuje jeho vodivost.  Přiložíme-li  na dielektrikum napětí,
+stoupá  se zvětšováním vodivosti jeho teplota,  přičemž vlhkost uložená v hlubších vrstvách nemůže z
+dielektrika rychle  uniknout.   Vlhkost  uložená  ve vnitřních vrstvách dielektrika, tak způsobuje zvýšení
+intenzity iontového proudu. Ten je příčinou dalšího zvýšení teploty uvnitř materiálu
+[[vlhkost:literatura|[3]]].
+V  navlhnutém dielektriku  mimo to,že se zvětšuje jeho elektrická vodivost, zvětšuje i jeho tepelná vodivost.
+Ta působí protichůdně a  přispívá zase naopak k snižování teploty  dielektrika. Dostoupí-li vzájemné
+působení zvětšující se vodivosti a teploty určitých  mezí, dochází k tepelnému průrazu dielektrika.
+Elektrická  pevnost navlhlého  dielektrika může  být také  ovlivňována elektro-osmotickými jevy.
+===== Časové změny elektrických veličin působením vlhkosti =====
+Časově se měnící koncentrační pole  vlhkosti v desce nalhávajícího izolantu podmiňuje i časovou změnu
+elektrických veličin  permitivity, ztrátového činitele,  izolačního odporu, elektrické  průrazné pevnosti
+a  dalších charakteristik. Pro vysvětlení závislosti  změny určité elektrické veličiny na době  navlhání
+izolantu nutno  znát především rozložení  a časový průběh koncentrace v navlékajícím izolantu. Pokud je
+difuzní koeficient  konstantní (nezávislý na koncentraci vlhkosti), je toto rozložení a časový průběh
+popsán  (~~rov.#~~):
+<m 15>  D_p = {1/c_2}int{c_1}{c_2}{D dc}  </m>
+V izolantech s koncentračně závislým  difuzním koeficientem je nutno  uvažovat změny difuzního koeficientu
+v prostoru a čase. Uvažujeme  např.  vnitřní  elektrický  odpor  izolantu  ve tvaru desky o tloušťce **d**
+(elektrické pole je kolmé k rovině vzorku). Celkový odpor izolantu je tvořen sériovým spojením elektrických
+odporů každé elementární zóny. V určitém okamžiku **t** je střední odpor vzorku dán integrálem (~~rov.#~~)
+[[vlhkost:literatura|[1]]]:
+<m 15>  {rho}_c = 1/d{int{0}{d}{{rho}_x{dx}}} </m>
+[<8>]

EKP

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku