Тепловой и электрический пробой

3.3.1. Тепловое старение твердой изоляции

Тепловое старение, т. е. постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции при длительном нагреве, происходит вследствие того, что при повышении температуры возникают или уско­ряются химические процессы в изоляционных материалах.

Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется главным образом в снижении их механической прочности. В частности, у наиболее распространенных в высоковольтной изоляции материалов из целлюлозы (бумага, картон) при длительном нагреве особенно сильно снижается прочность на растяжение и излом.

Тепловое разложение (деструкция) бумаги в присутствии влаги и воздуха (кислорода) ускоряется. В случае, когда бумага пропитана минеральным маслом, скорость старения уменьшается, так как ограничивается доступ воздуха к бумаге. Однако в некоторых случаях этот эффект снижается вследствие того, что в самом масле образуются продукты, вызывающие разложение целлюлозы (например, органические кислоты, перекиси и др.).

Тепловое старение бумаги при отсутствии других внешних воз­действий практически не меняет ее кратковременной электрической прочности. Однако в реальных условиях эксплуатации одновре­менно с нагревом изоляция подвергается также и воздействию механических усилий. Поэтому снижение механической прочности бумаги в результате теплового старения непременно приводит к механическому повреждению изоляции и уже как следствие к электрическому пробою.

Большинство твердых изоляционных материалов, применяемых в электрических аппаратах и машинах высокого напряжения, также постепенно теряют механическую прочность при длительном нагреве и выходят из строя в результате пробоя, возникающего после механического повреждения.

Тепловое старение жидких диэлектриков выражается прежде всего в повышении проводимости и диэлектрических потерь. В минеральных маслах при повышении температуры развиваются окислительные процессы, в результате которых образуются органические кислоты, кетоны, альдегиды и твердые продукты (смолы). Эти продукты образуют ионы и коллоидные частицы в масле. В итоге проводимость и диэлектрические потери масла увеличиваются. Одновременно с этим снижается и электрическая прочность.

Увеличение диэлектрических потерь вызывает дополнительный нагрев изоляции и ускорение темпов ее старения. При определенных условиях рост диэлектрических потерь может привести к тепловому пробою.

Срок службы изоляции τт, при тепловом старении зависит от скорости химических реакций. Если принять приближенно, что эта скорость на протяжении всего времени старения остается неизменной, то

где кхим — величина, характеризующая скорость химических реакций, например количество продуктов, вступающих в реакцию в единицу времени; А — коэффициент пропорциональности.

При прочих равных условиях скорость процесса зависитот температуры Т. Для простейших химических реакций эта зависимость определяется законом Аррениуса, согласно которому

кхим = , (2.2)

где Wa -энергия активации; R -универсальная газовая постоянная.

Строго говоря, применение закона Аррениуса к сложным реакциям в изоляционных материалах неправомерно. Тем не менее опыт показывает, что выражение (2.2) дает результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными и в случае процессов, возникающих при тепловом старении изоляции.

На основании выражений (2.1) и (2.2),

τт = , (2.3)

В относительно узком интервале возможных рабочих температур зависимость τт=f(Т), вытекающая из выражения (2.3), может быть представлена в виде

τт = . (2.4)

Из выражения (2.4) следует, что отношение сроков службы изоляции при разных температурах T1 и Т2 будет выражено следующими уравнениями:

, (2.5)

, (2.6)

где ΔT = ln 2/a — повышение температуры, вызывающее сокраще­ние срока службы изоляции при термическом старении в два раза.

Значение ΔT в среднем составляет примерно 10°С. Поэтому при ориентировочных расчетах можно полагать, что повышение температуры изоляции на каждые 10°С дает сокращение срока службы в два раза.

Для того чтобы ограничить скорость теплового старения и обеспечить необходимую долговечность изоляции, устанавливают предельные допустимые температуры Tpaб.доп, а изоляционные конструкции выполняются таким образом, что в номинальном режиме работы температура в наиболее нагретой точке изоляции не превышает допустимую.

Нормы нагрева устанавливаются для отдельных видов электро­технического оборудования с учетом специфических условий работы.

3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции

Механизм теплового пробоя можно пояснить на простейшем примере, приняв условно, что температура Θ во всех точках изоляции одинакова. При воздействии на изоляцию переменного напряжения Uколичество тепла Qв, выделяющегося в единицу времени за счет диэлектрических потерь, а также количество тепла Qотв, отводимого от изоляции в окружающую среду, определяются выражениями:

гдеС — емкость изоляции; tg δ — тангенсугла диэлектрических потерь; S — поверхность изоляции, от которой отводится тепло в окружающую среду; k — коэффициент теплоотдачи; Θокр — тем­пература окружающей среды, Θ — температура изоляции.

У большинства изоляционных материалов диэлектрические потери и, следовательно, величина tg δ с ростом температуры увеличиваются. Зависимость tg δ от температуры Θ приближенно соответствует выражению

tg δ = , (2.9)

где Θо— температура, при которой tg δ = tg δо.

В этом случае Qв и Qотв зависят от температуры изоляции, как показано на рис. 2.3, на котором кривые Qв построены для нескольких значений напряжения. При напряжениях U1 и U2 достигается равенство Qв = Qотв, т.е. возможны устойчивые режимы нагрева изоляции с температурами Θ1 и Θ2 соответственно.

Рис. 2.3. К механизму теплового пробоя

Наибольшее значение напряжения, при котором еще может соблюдаться условие Qв = Qотв, равно U3 (кривые Qв и Qотв касаются при Θ = Θ3). Однако уже в этом предельном случае тепловой режим изоляции оказывается неустойчивым. При случайном повышении температуры или напряжения количество выделяющегося тепла будет постоянно превышать количество тепла отводимого и температура изоляции Θ станет неограниченно возрастать. Таким образом, при U ≥U3 термическое равновесие изоляции нарушается, температура беспредельно увеличивается и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических качеств. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Из графиков на рис. 2.3 следует, что нарушение термического равновесия изоляции наступает, если Qв ≥ Qотв и

. (2.10)

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.

Для изоляционных конструкций, работающих в напряженных тепловых режимах, для которых опасность теплового пробоя особенно велика (вводы, силовые кабели и конденсаторы), созданы инженерные методики расчета напряжения теплового пробоя, достаточно полно учитывающие действительные условия нагрева и охлаждения. Однако в этих методикахрассматриваются установившиеся режимы нагрева. В условиях же эксплуатации повышенные напряжения воздействуют на изоляцию ограниченное время, за которое не всегда достигается установившееся состояние нагрева. При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если U > Uпр. Поскольку инженерные методы расчета напряжения теплового пробоя в неустановившихся режимах нагрева отсутствуют, способность изоляционной конструкции выдерживать непродолжительные перегрузки проверяется экспериментально.

3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» Tэ. С повышением температуры Tэ и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 2.4. С повышением температуры Tэ растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В в точках 1 и 2. При напряженности внешнего поля Eпр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность Eпр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

Читайте также:  Срок действия поверки счетчиков воды

С повышением температуры диэлектрика Tо кривая В сдвигается вправо, и напряженность Епр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков. Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т.е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках. При толщине диэлектрика в несколько мирон электрическая прочность Eпр резко возрастает.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большой кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем промежутка. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной.

Рис. 2.4. Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А) и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа Tэ при разных напряженностях поля Е

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.

3.3.4. Ионизационный пробой твердой изоляции

В технической изоляции могут возникать газовые включения. В этих включениях напряженность поля возрастает, электрическая же прочность газовой среды ниже прочности твердого диэлектрика. Поэтому в газовых включателях возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. При неблагоприятных обстоятельствах в изоляции возникает медленное развитие дефекта, приводящее к пробою изоляции. Такой пробой называется ионизационным. Особенности ионизационных процессов можно проследить по схеме замещения изоляции (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема замещения изоляции с газовым включением

на переменном напряжении

Емкость газового включения С1 соединена последовательно с емкостью, оставшейся под газовым пузырьком толщи диэлектрика С2. Основная масса диэлектрика имеет емкость . Разряд в газовом включении имитирован пробоем искрового промежутка ИП, включенного параллельно С1. В отсутствие пробоя ИП переменное напряжение Uo распределяется обратно пропорционально С1 и С2. Синусоидальная кривая напряжения на емкости С1 показана на рис. 2.6 пунктиром. Пусть напряжение пробоя ИП (газового включения) равно Uпр. В точке А происходит пробой ИП и срез напряжения на емкости до некоторого малого остаточного напряжения. Но вследствие малого значения емкости С2 ток в ИП также мал, и искра, не переходя в дуговой разряд, сразу же гаснет. Начинается восстановление напряжения на емкости С1 по кривой, эквидистантной пунктирной синусоиде.

Как только напряжение на ИП достигает Uпр, вновь происходит его пробой, гашение искры, восстановление напряжения и т.д. Кривая напряжения на С1 приобретает форму, показанную на рис. 2.6 сплошной линией.

Рис. 2.6. Кривая напряжения на емкости С1 (газовом включении):

1 — при отсутствии пробоя ИП; 2 – при пробое ИП

При каждом срезе напряжения нейтрализуется заряд DQ = C1Uпр. Это приводит к скачкообразным снижениям напряжения на емкости С, равным

DU = , (2.11)

где Сo – общая емкость диэлектрика, приближенно равная C + C2.

Так как величины C1 и С2 неизвестны, для характеристики процесса следует ввести величину кажущейся интенсивности ионизации.

. (2.12)

Используя эту величину из формулы (2.11), получено уравнение

. (2.13)

Измеряя DUо, можно определить и значение DQо. Серия разрядов в воздушном включении повторяется каждые полпериода. Следовательно, число их пропорционально частоте приложенного напряжения. С увеличением амплитуды приложенного напряжения число разрядов за полупериод возрастает.

Развитие процесса будет протекать следующим образом. Нейтрализация заряда DQ связана с рассеиванием энергии , переходящей в тепло. В твердой синтетической изоляции, например, полиэтилене или полистироле, возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно возникает канал, по мере удлинения которого рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в канале часто образуются вещества типа смолы; зачастую при этом канал обуглероживается и становится проводящим. В этих случаях разряды прекращаются, но возникает новая электрическая или тепловая формы пробоя.

Ионизационный пробой характерен для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции. Газовые включения в изоляции могут находиться там с момента изготовления конструкции или появиться вследствие нагрева остаточной влаги или других примесей.

Ионизационный пробой обычно начинается в местах с наиболее высокой напряженностью поля. Особенно опасны тангенциальные составляющие поля вдоль слоев бумаги. Поэтому в изоляционных конструкциях стремятся избежать высоких тангенциальных составляющих.

Ионизационный пробой (ИОП) развивается во времени очень медленно. Поэтому наличие газовых включений практически не сказывается на прочности изоляции при импульсных воздействиях. Однако каждый импульс высокой амплитуды вызывает разряд в газовых включениях и составляет хотя и малый, но необратимый след. По этой причине у ИОП ярко выражен кумулятивный эффект. Электрическая прочность существенно понижается при большом числе импульсных воздействий. Характеристикой изоляции в отношении ионизационных явлений служит напряжение ионизации, т.е. такое приложение напряжения рабочей частоты, при которой в изоляции начинает возникать ионизация, обнаруживаемая с помощью специальных схем. Различают следующие ионизационные характеристики изоляции:

— критическое напряжение ионизации. Uкр.и – напряжение, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ИОП изоляции за относительно короткий срок;

— начальное напряжение ионизации. Uн.и – наименьшее напряжение, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.

Испытательное напряжение изоляции не должно превышать критического напряжения ионизации; рабочее напряжение не должно превышать начального напряжения ионизации. Исключение могут составлять только локальные участки вблизи электродов с острыми краями, например на краях конденсаторных обкладок, где напряженность поля очень высока и начальная напряженность Uн.и ниже Uраб.

В бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции повышение напряжения достигается тщательной очисткой масла, пропиткой твердой волокнистой изоляции, применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона, дерева и пр.), применением литых изделий из целлюлозы или пластмасс.

Изложенные выше особенности ионизационного пробоя относились к переменному напряжению или повторным импульсам. При постоянном напряжении ионизационные процессы в газовых включениях протекают иначе. Распределение постоянного напряжения по элементам изоляции происходит в соответствии с проводимостями этих элементов. Схема замещения изоляции с газовыми включениями приведена на рис. 2.7. В этой схеме R1 и R2 — сопротивления изоляции газового включения и последовательно включенного участка здоровой изоляции, а R — сопротивление остальной массы изоляции.

Рис. 2.7. Схема замещения изоляции с газовым включением на постоянном напряжении

В момент пробоя ИП напряжение на емкости С2 (емкости газового включения) уменьшается до нуля, затем гаснет. Восстановление напряжения на С2 происходит с постоянной времени T = RэCэ, где Rэ= R1||R2; Cэ= С1||С2. Вследствие высоких значений Rэ, Т измеряется секундами или даже минутами. Поэтому повторные пробои газовых включений происходят редко. По этой причине на постоянное напряжение изоляционные конструкции допускают значительно большие рабочие напряженности поля, чем на переменное напряжение.

Читайте также:  Сепараторный пылесос что это такое

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохож­дения тока нежелательными путями. Находясь под напряжением, твердая электрическая изоляция не может выдерживать любые его значения. При некотором критическом напряжении, превышающем Upаб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлек­трик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает про­бой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением. При пробое в твердой изоляции образу­ется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при по­вторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения. Пробой твердой изоляции электротехнического устройства означает аварию. Электротехническое устройство с пробитой твердой изоля­цией эксплуатировать нельзя, оно требует ремонта — замены детали с пробитой изоляцией или устройства в целом.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков:

электрохимическую, — каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в за­висимости от его состояния и внешних условий — наличия дефектов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, характера электрического поля (постоянное, переменное или импульсное, низкой или высокой частоты) и т.п. Наиболее часто встречаемой и наиболее хорошо изученной является электротепло­вая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может проте­кать самостоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завер­шается другой.

Кроме указанных трех видов пробоя, в литературе встречаются высказывания о возможности других разновидностей пробоя или промежуточных его форм: электромеханической, электротермомеханической и др. Однако существование этих разновидностей оконча­тельно не доказано.

5.4.1. Электрический пробой

На практике электрический пробой твердых диэлектриков обыч­но происходит при попадании в электроустановку грозового разряда (молнии) или в результате коммутационных перенапряжений. Эта форма пробоя не обусловлена ни тепловыми процессами (электроте­пловой пробой), ни электрическим старением (электрохимический пробой). Электрический пробой происходит, когда практически ис­ключено влияние диэлектрических потерь, частичных электрических разрядов в порах изоляции и на ее поверхности (около электродов) и т.п.

В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследствие образования в диэлектрике между электродами плазменного газоразрядного канала, в формировании которого участвуют эмиссион­ные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания Iкз.

Существенное влияние на механизм электрического пробоя оказывает отрицательный объемный заряд, образующийся при инжекции электронов из катода за счет их захвата ловушками диэлек­трика.

На основании имеющихся экспериментальных данных механизм электрического пробоя твердых диэлектриков выглядит следующим образом. На начальной стадии из-за неполного пробоя образуется прерывистый канал небольшого диаметра (у NaCl менее 1мкм). Да­лее, в результате увеличения плотности тока до 10 8 —10 9 А/м 2 , канал проплавляется до диаметра 10—12 мкм и начинает прорастать к про­тивоположному электроду. Вокруг прорастающего канала наблюда­ется свечение прилегающей области, диаметр которой намного боль­ше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока в разрядной цепи Iкз, т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлек­триках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, вет­вящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направ­лений. Времени, необходимого для образования канала пробоя, тре­буется в 10—100 раз больше, чем при пробое воздуха.

С точки зрения зонной теории твердого тела, механизм электронной ударной ио­низации можно представить следующим образом. Электрон, находящийся в зоне про­водимости (ЗП) (свободный электрон), разгоняясь под действием электрического поля, увеличивает свою энергию. Эту приобретенную (добавочную) энергию электрон с некоторой вероятностью может передать другому электрону, находящемуся в ва­лентной зоне (ВЗ). В случаях, когда энергия, получаемая электроном, находящимся в ВЗ, будет равна или больше ширины запрещенной зоны (33) ∆W (∆Wравна энергии ионизации Wи), этот электрон из ВЗ перейдет в ЗП. Если при этом сам ионизирую­щий электрон остается в ЗП, то происходит лавинное увеличение электронов в ЗП. Наступает пробой.

Напряженность поля, при которой происходит пробой твер­дых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10 3 МВ/м и более. Такие высокие значения Епр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую

1000 раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую величину средней длины сво­бодного пробега электрона λ. Поэтому для образования электронных лавин необходимы более высокие значения напряженности поля, чем у воздуха.

Получить чисто электрическую форму пробоя трудно. Обычно на этот вид пробоя накладывается электротепловая или (и) электрохи­мическая форма пробоя. Чтобы исключить (или снизить) различные побочные влияния на электрическую форму, пробой производят на импульсах напряжения в среде жидкого диэлектрика, ε которого больше, чем ε испытуемого образца. Для электрического пробоя ха­рактерны:

а) малое время развития пробоя (10 -6 с и менее);

б) незначительная зависимость Епр (практически не зависит) от толщины образца при h ≥ 10—20 мкм и времени приложения напря­ жения при τ ≥ 10 -7 — 10 -6 с. При толщине образца менее 10—20 мкм имеет место электрическое упрочнение — существенное увеличение Епр при уменьшении h.

При электрической форме пробоя величина Епр существенно за­висит от плотности упаковки структурных элементов диэлектрика, т-е. от плотности упаковки ионов — при ионном строении, моле­кул — при молекулярном строении, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структур (типа и размера) — у полимеров. Плот­ность упаковки структурных элементов, в свою очередь, зависит от химического состава и строения диэлектрика.

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1) электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2) электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3) тепловой (электротепловой) пробой;

4) электрохимический пробой.

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия напряжения.

^ Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10 -7 …10 -8 с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается лавина. Электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, возбуждая упругие колебания кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов, и стационарное состояние нарушается, т.е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества. Такое удается наблюдать для монокристаллов щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров, в этом случае электрическая прочность достигает 1000 МВ/м и более.

Читайте также:  Светло бежевый цвет это какой

^ Электрический пробой неоднородных диэлектриковхарактерен для технических диэлектриков, которые чаще всего содержат газовые включения. Так же как и электрический пробой однородного диэлектрика, он отличается весьма быстрым развитием.

Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, наблюдающиеся во внешнем однородном или неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

Принято считать, что в однородном поле электрическая прочность стекол, фарфора и ряда других твердых диэлектриков не зависит от толщины образца. Однако основные работы по изучению влияния степени однородности поля на электрическую прочность проводились лишь со стеклом при очень малых толщинах образцов — от 0,05 до 0,5 мм, когда число дефектов невелико. Имеющиеся данные показывают, что с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижаются электрические прочности как в однородном, так и в неоднородном поле.

Иногда на опыте можно наблюдать, что электрическая прочность керамики при электродах, создающих внешнее неоднородное поле, будет даже выше, чем при электродах, обеспечивающих однородное поле. Так, электрическая прочность образцов рутиловой керамики толщиной от 1,6 до 1,7 мм при постоянном напряжении в случае электродов игла — плоскость составляет примерно 24 МВ/М, а при плоских электродах — всего от 12,5 до 15 МВ/м.

Из этого следует, что чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности керамических материалов вследствие уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля, хотя поле в этом случае резко неоднородное. Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается не только у керамики, но и у ряда других материалов: бумаги, картона, лакотканей и пр.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью; к таким диэлектрикам относятся мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика. Электрическая прочность их сравнительно мало отличается от таковой для воздуха, исключение составляет бумага с повышенной плотностью.

Твердые диэлектрики с закрытыми порами, например, плотная керамика, характеризуются более высокой электрической прочностью. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений. К ним относятся слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла.

Значения электрической прочности некоторых твердых диэлектриков приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 — Значения электрической прочности некоторых твердых

диэлектриков в однородном поле при частоте 50 Гц

Материал Епр. действ., МВ/м Особенности структуры
Стекло 100-300 Однородные плотные диэлектрики и слоистые, если поле перпендикулярно слоям
Каменная соль 100-150
Слюда 100-300
Пропитанная бумага 100-300
Органические пленки (полистирол, триацетат целлюлозы) 90-120
Керамика 10-30 Неоднородные по структуре диэлектрики с закрытыми или сообщающимися между собой капиллярами
Микалекс 10-15
Пластические массы с наполнителем (фенолформальдегидные, аминопласты) 10-15
Мрамор 4-5 Диэлектрики с открытыми крупными порами
Пористая керамика 1,5-2,5
Дерево 4-6
Непропитанная кабельная бумага 7-10

^ 5.5 Тепловой и электрохимический пробой твердых

Диэлектриков

Электротепловой(сокращеннотепловой)пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя должны приниматься во внимание тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание тангенса угла диэлектрических потерь уже при нагреве выше 20…30°С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение тангенса угла диэлектрических потерь которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150…200°С. В последнем случае тепловой пробой сможет развиваться только при достижении этих температур.

Температура нагрева изолятора в электрическом поле высокого напряжения устанавливается тогда, когда тепловыделение оказывается равным теплоотдаче в окружающую среду. В большинстве случаев теплоотвод обусловливается конвекцией воздуха. Таковы условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место для кабелей, вводов, вмонтированных в стены. Обычно при расчете изоляторов выбирают такое рабочее напряжение, соответствующее установившейся температуре, чтобы температура нагрева не превосходила некоторого заданного значения, опасного с точки зрения нагревостойкости диэлектрика.

С увеличением приложенного к изолятору напряжения возрастает реактивная мощность, вызывающая рост тепловыделения и нагрев изолятора.

Для того чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что всё изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при заданной температуре с поверхности изолятора:

(5.9)

где U — напряжение, В;

U 2 Cωtgδ — реактивная мощность, В×А;

ω — угловая частота, с -1 ;

С — емкость изолятора, Ф;

tgδ — тангенс угла потерь при рабочей температуре;

σ — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 К);

S — поверхность изолятора, м 2 ;

tраб и t — температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Формула (5.9) позволяет с достаточной точностью рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия, например для керамических конденсаторов.


^ Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.

Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т.д.), в которых оно обусловлено, прежде всего, развитием ионизационного процесса в воздушных включениях. Ионизацию связывали с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, TiO2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector