EKP

Máte načtenou starší verzi dokumentu! Pokud ji uložíte, vytvoříte tím novou aktuální verzi.

====== 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 **ds**, vrstvou 
vody o tloušťce **dv** a vrstvou vzduchu tloušťky **dvz**
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 ds konstantní a bude se měnit 
dv a dvz. 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.#~~):

kde ((sv a ss jsou měrné hmotnosti vody a suchého materiálu))
 
<m 15>A = {{s_s/s_v}d_s}{({1/{rho}_v}-{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:

<html> <center> </html> 
[{{:obr:3_20.jpg?nolink&250|Obr.3 Závislost izolačního odporu na provlhnutí dielektrika}}]
<html> </center> </html>

=== 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.#~~):

Koeficient **k**respektuje to, že kanálky nespojují elektrody nejkratší cestou. Průřez kanálku nechť
je ~~rov.#~~:

Odpor kanálku mužem vyjádřit vztahem (~~rov.#~~):

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 **R1** 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 oC, 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>]

Komentář k úpravám

Poznámka: Tím, že editujete tuto stránku, souhlasíte, aby váš obsah byl licencován pod následující licencí: CC Attribution-Share Alike 4.0 International

EKP

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Nástroje pro stránku