🗊Презентация Электрическая прочность диэлектриков

№5. Электрическая прочность диэлектриков Содержание лекции: - определение пробоя диэлектриков и электрической прочности; - методы определений.  Цели лекции: изучить явления пробоя диэлектриков. 5.1 Пробой диэлектриков Каждый диэлектрик в электрическом поле теряет изоляционные свойства, если напряженность поля Е превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, а Епр - пробивной напряженностью. Пробивная напряженность поля Епр, определяется отношением пробивного Uпр к толщине диэлектрика в месте пробоя  

Епр = Uпр/ ,   где  - толщина диэлектрика, м. В системе СИ Епр измеряется в В/м; но для практических расчетов удобной единицей измерения является кВ/мм: 1 В/м = 10 -6 кВ/мм. Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным пробоем или поверхностным перекрытием. На величину поверхностного разряда оказывают влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота переменного тока, состояние поверхности диэлектрика, давление воздуха. При пробое в газах или жидких диэлектриках, в силу подвижности молекул, пробитый участок после снятия напряжения U восстанавливает свои первоначальные свойства. При пробое твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого, прожженного или оплавленного отверстия неправильной формы. Повреждение поверхности твердого диэлектрика, связанное с образованием проводящих следов, называют трекингом.

Номинальное напряжение Uн электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения Uпр   Uпр/Uн = Кпр   Это отношение называют коэффициентом запаса электрической прочности. Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности Е приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его Uпр снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости Uпр от времени приложения напряжения U называют кривой жизни электрической изоляции. Электрическая прочность диэлектриков зависит от агрегатного состояния, от химического состава, структуры вещества и воздействия внешних факторов (температуры, атмосферного давления, толщины, частоты и однородности поля, времени приложения напряжения, влажности и др). Механизм пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Пробой газов.   Число электронов, образующихся в 1 сек. В 1 см3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в достаточно сильном поле. При увеличении Е электроны между двумя соударениями приобретают энергию W=eλE (3.60) достаточную для ионизации молекул газа W>Wи, где Wи – энергия ионизации, е – заряд электрона, λ – длина свободного пробега. При столкновении с атомами и молекулами они порождают новые электроны. При этом «вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вызывают ионизацию молекул газа. В результате, число электронов в газовом промежутке увеличивается лавинообразно. Интенсивность этого процесса определяется коэффициентом ударной ионизации α, равным числу ионизации электронов на единицу длины пути. Эти электроны распределяются в межэлектродном пространстве, образую электронную лавину.

Пробой жидких диэлектриков   Жидкие диэлектрики обладают более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Более высокая прочность жидких диэлектриков обусловлена их более высокой плотностью (в 2000 раз) и значительно меньшими межмолекулярными расстояниями. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические частицы. Наличие примесей сильно осложняет явление пробоя жидких диэлектриков. В жидких диэлектриках возможны следующие виды пробоя: электрический, вследствие ударной ионизации; тепловой пробой при резко возрастающих диэлектрических потерях и нагрева жидкости в местах наибольшего скопления примесей; ионизационный, вследствие ионизации газовых включений жидкости, роста диэлектрических потерь.

Пробой твердых диэлектриков   Физическая картина пробоя твердых диэлектриков может быть весьма различна: ионизационные процессы; вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем Е; нагрев; химические реакции; частичные разряды; механические напряжения в результате электрострикции; образования объемных зарядов на границах неоднородностей и т.д. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: - электрический - тепловой - электрохимический - ионизационный - электромеханический

Методы экспериментального определения электрической прочности Электрическая прочность жидких и твердых диэлектриков определяется на установках типа АИИ - 70, позволяющих производить испытания на постоянном и переменном U в пределах от 0 до 70 кВ. Принципиальная схема электрических соединений установки АИИ - 70 дана на рисунке 3.3. 1 - резервуар с электродами для испытания жидких диэлектриков; 2 - вывод постоянного U для испытания твердых диэлектриков; 3 - вывод переменного U для испытания твердых диэлектриков. Рисунок 5.3 - Электрическая схема испытательной установки АИИ - 70  

Пробивное напряжение и электрическая прочность Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того замыкает канал или нет оба электрода пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность, образуя так называемый трекинг, науглероженный след на органических диэлектриках. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому больше

единицы и называется коэффициентом импульса. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции - необратимых процессов под действием тепла и электрического поля. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле Eпр=Uпр/h, где Eпр, В/м, Uпр - пробивное напряжение, В, h - толщина диэлектрика, м. Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в МВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами такое: 106 В/м = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами в течение 10 -5-10 -6 с. Eпр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10 -4-10 -5 см. По сравнению с воздухом, у которого Eпр » 3 МВ/м, наибольших значений при электрическом пробое достигает Eпр у твердых диэлектриков - 102-103МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 102 МВ/м. 

Электротепловой пробой Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q1 становится больше отводимой теплоты - Q2. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Uпр от влияния различных факторов. Пусть Q1 = U 2 ω C tgδ     (4.1) Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то  tgδ = tgδ0 exp[a(T- T0)], где а и tgδ0 зависят от природы диэлектрика, Т0 - температура окружающей среды (электродов), T - температура диэлектрика. Количество отводимого тепла определяется равенством Q2 = 2σS(T- T0)     (4.2) где σ - суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду, S - площадь электрода.

Из графического представления зависимости Q1 и Q2 от температуры (рис. 4.1) видно, что при U1 и T1 будет устойчивое тепловое равновесиеQ1 = Q2; при U2, T2 и U1, T3 - состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой. Видно, что U3 = Uпр. Из условия теплового равновесия Uпр = Ö 2σ S (Tкр-To)/(2π f C tgδo) • exp[-a(Tкр-To)/2],      где Tкр соответствует температуры T2 и T3. Тепловой пробой обычно происходит в течение 10 -2 -10 -3 с, а Eпр около 10 МВ/м. Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача. Eпр при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Uпр с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

Электрохимический пробой  происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 103 - 108с. 

Пробой газообразных диэлектриков Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (рис. 4.2) характерна зависимость Епр от давления. Давление 0,1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению. Eпр при больших давлениях растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации; возрастание Eпр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа. Eпр воздуха в однородном поле растет, как показано на рис. 4.3 с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа.  

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например для воздуха при h=l см от 30 кВ до 9 кВ. В неоднородном поле влияет также полярность электродов. Так для электродов с малым радиусом кривизны Uпр при положительной полярности оказывается меньше, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка. 

Пробой жидких диэлектриков Электрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10 -5-10 -8 с, наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода. Епр при этом достигает 107 В/м, В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, числу которых относятся материал электродов, примеси, загрязнение жидкости; дегазация жидкости и электродов; длительность воздействия напряжения; скорость возрастания напряжения и его частоты; температура, давление и др.

В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующим значением (тепловой характер пробоя), в очищенных-амплитудным (электрическая форма пробоя). Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких, так и газообразных сказывается на низких частотах. Увеличение электрической прочности трансформаторного масла происходит при фильтрации и сушке (при частоте 50 Гц- втрое, на частоте 105 Гц- только на 30%). Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температуры имеется максимум при температурах 30-80°С, высота которого уменьшается с ростом частоты (в пределах 0,4-12 МГц). Кривая тангенса угла диэлектрических потерь при температуре максимума проходит через минимум. Увеличение давления от 60 до 800 мм. рт. ст.

увеличивает пробивное напряжение на 200-300%. Добавка к жидкости частиц вещества с диэлектрической проницаемостью большей, чем у жидкости, приводит к росту тока в несколько раз.