Почему определение электрической прочности стандартизовано

электрическая прочность

Электрическая прочность — Электрическая прочность  характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью.… … Википедия

электрическая прочность — электрическая прочность; отрасл. пробивная прочность; электрическая крепость; пробивная напряженность электрического поля Напряженность электрического поля при пробое или неполном пробое диэлектрика … Политехнический терминологический толковый словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — (2) … Большая политехническая энциклопедия

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — напряжённость электрич. однородного поля Епр, при к рой наступает электрический пробой в ва. У слюды, кварца и др. «хороших» диэлектриков Ёпр=106 107 В/см; в очищенных и обезгаженных жидких диэлектриках Eпр=106В/см; в газах Э. п. зависит от… … Физическая энциклопедия

электрическая прочность — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN voltage proof … Справочник технического переводчика

Электрическая прочность — 7.2 Электрическая прочность Сразу после испытания сопротивления изоляции токоведущие и доступные части должны выдержать испытание напряжением постоянного тока в течение 1 мин: а) резьбовые цоколи между доступными частями и частями резьбовых… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

электрическая прочность — elektrinis atsparumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electric strength vok. elektrische Festigkeit, f rus. электрическая прочность, f pranc. rigidité diélectrique, f … Fizikos terminų žodynas

электрическая прочность генераторной (модуляторной, регулирующей) лампы — электрическая прочность Устойчивость лампы к воздействию электродных напряжений для заданного режима. Примечание Электрическая прочность, как правило, определяется числом искрений за определенный интервал времени. [ГОСТ 20412 75] Тематики… … Справочник технического переводчика

электрическая прочность электровакуумного прибора — электрическая прочность Способность электровакуумного прибора выдерживать при заданных условиях определенное напряжение, приложенное к электродам. Примечание Электрическая прочность может определяться допустимым числом внутренних разрядов… … Справочник технического переводчика

Контрольные вопросы

Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.

2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?

Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.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 материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).

4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?

Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.

5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.

6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?

, где – длина электрода, – поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: , где Uпр = I * R

7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков

Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей

Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.

Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.

Вопрос. Как зависит электрическая прочность Е_пр от толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?

Ответ. При использовании двух слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Е_пр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.

Определение электрической прочности твердых диэлектриков

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, либо проводят его, но плохо. С этими веществами тесно связан пробой изоляции.

Пробой изоляции — это явление, когда диэлектрические части начинают проводить ток, то есть фактически превращаются в проводники.

Если значение напряжённости в электрическом поле веществ увеличивается, что и является причиной пробоев. Для всех диэлектрических веществ есть свои пороги значений электрической прочности изоляции.

Сегодня расскажем, почему прочность изоляции может истончаться и приводит к пробоям в изоляции.

Теоретические сведения

Среди различных газов наибольшее техническое применение как диэлектрик имеет воздух, т. к. он является естественной изоляцией в большинстве электрических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателях, линий электропередачи.
Как диэлектрик воздух имеет положительные свойства: быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя, незначительно изменяет диэлектрическую проницаемость, его диэлектрические потери очень малы (tgδ=10). Отрицательные свойства воздуха как диэлектрика: Низкая теплопроводность 0.00025-0.00036 вт/см*С, невысокая электрическая прочность, по сравнению с твёрдыми и жидкими диэлектриками, способность увлажняться, образовывать оксиды, поддерживать горение. Электрическая прочность воздуха не является постоянной и зависит от ряда факторов: Давления, влажности, формы поля между электродами, температуры, химического состава газа.

Наиболее важными являются:

1) форма электродов и схема включения их в цепь, определяющая характер поля в промежутке между электродами;

2) плотность и влажность воздуха;

3) род приложенного напряжения (постоянное, переменное промышленной частоты, высокой частоты и импульсное).

Механизм пробоя газа в равномерном поле.

Газы при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно малой проводимостью, т. к. количество носителей электрических зарядов в атмосферном воздухе и поэтому при приложении малой разности потенциалов к воздушному промежутку в нём потечёт ток, практически незаметный и не влияющий на изолирующую способность воздуха.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при воздействии поля получает некоторую добавочную скорость и начинает в зависимости от знака заряда перемещаться в направлении поля или против. При этом заряженная частица получает энергию.

Магнитное поле

Где q — заряд, Uλ — разность потенциалов на длинне свободного пробега.

Если поле достаточно, то можно считать, что

Где Е — напряжённость поля, l-среднее расстояние, пройденное заряженной частицей без столкновения, то есть, длинна свободного пробега – λ.

Электрические свойства полимерных материалов

IamJiva> не устану напоминать -т.к. не известно сколько в жизни из-за этого не заработало самодела) что К78-… (MKP,ПП) плёночные конденсаторы не только вдвое крупнее и дороже, чем лавсановые(PET) К73-…(из-за чего К78 можно счесть по неопытности — отсталым совковым плёночным, предпочтя ему и купив К73- лавсановый), они(ПП) резонно крупные и дорогие, понять всё можно включив катушку зажигания от ЗИЛ-130 или хотяб ВАЗ-2106, последовательно — через конденсатор 250-400в 0.01мкФ(размером корпусам с ноготь большого а не указательного пальца) к выходу звукового комп-усилка 100втного, воспроизведя Audiotester или CoolEdit прогой синус, получив на выходе усилка 20VAC(100вт на 4 омах былобы) по тестеру, и покрутив частоту — на 3кГц должен быть резонанс, не зависимо от типа конденсатора — при такой емкости(может 0.1мкф? а не 0.01 — не помню уже), на постоянке и НЧ конденсатор не пускает 20VAC на бобину(болты низковольтные первички выводы), на 20000 Гц — первичка катушки зажигания не успевает даже от 20VAC ток набирать из-за индуктивности, да и железо в ней не для 20000гцовых искр тромблёра создавалось, последовательный LC контур из них — имеет посередине частоту максимальной раскачки — резонанс — как у качелей, только ПП(К78) это качели с трением подвеса в 10-100раз мЕньшим! чем у лавсанового К37 конденсатора, и на 3кГц(это оптимум для самой еще катушки зажигания, она греется меньше и инерционность(индуктивность первички) ее — в балансе с частотой тактов — оптимальном при этом, в результате найдя частоту по громкости звука максимальной(вышла 3000гц примерно, резонанс +-2гц полочку имеет) на К78 накаптивается десять периодов — пока потери в катушке уравновесят поступление энергии — с усила 20VAC, а на конденсаторе как и на катушке(в противофазе примерно) 200VAC и искра 15мм орёт очень громко 3кГц, если настроить выше ниже(емкостью конденсатора задав другую резонансную частоту, и найдя ее по максимуму громкости, подстроив на нее генератор компвый — найдя резонанс опять по максимуму искры) выходит уже меньше 15мм искра — т.к. либо железо катушки греется сильнее на 5кгц например, либо катушка не способна ток большой не насыщаясь (на 100гц) обратно выливать тойже энергией — для следующего накопительного периода, а также искра меньше резко становится если в сторону от резонанса перестроить генератор — не так раскачивается уже хорошо(качели нельзя «пап — качай мееедленно и высоко») купив не разбираясь «обычную пленку» в магазе, К73, которые были 400вольт и меньше , в то время как до них стоял 250в — залитый в прямоугольной коробочке со стороны выводов мастикой зеленой, и работал на 200VAC олично, лавсановый же- тоже на 3кгц резонанс имел, но всего до 60VAC(а не до 200VAC как MKP ПП K78) раскачиваясь от 20VAC*3kHz выхода для колонок усилка(под s-90 кумир- очень живуч кстати защитами хорош, звук только не емкостной нагрузке он дает красивый- для статиков подошел на удивление другим став), вся мощь резонанса уходила на «нагрев несмазанного подвеса качелей»(так скажем) — и конденсатор быстро нагреваясь через минуту сгорел

в ГОСТе на лавсан конденсаторы как и на электролиты говорится что если он на 100 вольт, то постоянки стоит 70в подавать, а переменки в ней не должно быть больше 20VAC при 50гц, а от 1000гц резко потери возрастать начинают и они в резисторы превращаются — точнее как банкомат берущий за ввод вывод комиссию постоянно десяти-сто так примерно кратную в сравнении с ПП, также годятся ПС(К71), слюда «ириски» КСО, фторопласт(тефлон), вакуумные они могут до максимума заряжаться и тутже разряжаться и переполюсовываться в обратку- не греясь при этом на 20-500кГц — только надо на толщину выводов ориентироваться, тогда как у лавсана ее всегда хватает — в нее не упирается (в многоискоровую систему зажигания именно такие — низкопотерьны типа ПС ПП ставят перед тиристором и катушкой зажигания — т.к. лавсан три периода синуса прокачается и остановится, а ПП будет звенеть пока не потратит энергию на пробое, который переменкой «добивается» надёжнее чем одним импульсом высоковольтным. тангенс угла потерь грубо говоря это 1/Q , тоесть «антидобротность», добротность Q можно счиатать числом колебаний качелей контура с таким конденсатором — «до остановки на 90%(или сколько там…)», а тангенс угла потерь примерно равен доле энергии заряда теряемой за один вывод-ввод банковского вклада — туда обратно, потому при тангенсе угла потерь 0.1, добротность 10, и контур накапливает амплитуду(усилку всё тяжелее — как на велике при разгоне)10качаний качелей-периодов, удесятеряясь по амплитуде условно, и за 10качаний по инерции — теряя по 10% каждый период — «останавливается», это показаельная простая аппроксимация, полезная на практике, кроме конденсатора еще мешает добротность тонкого провода катушки, выходное сопротивление усилка, и сердечник катушки — требующий как выключатель — для перемагничивания гистерезисных потерь(на щелкнуть тумблером — пусть у него и много положений в плюс и в минус — как ящик на резинке по асфальту — тока требует сердечник, благо напряжение уравнивает в каждом витке трансформатора — в этом аспекте его линейным оставляя и инвариантным ко времени почти

Фарфор электротехнический

Является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10-2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Почему прочность уменьшается

Есть несколько основных факторов, которые напрямую влияют на уменьшение прочности в сети:

• Переменные напряжения;
• Температурные значения.

В первом случае напряжение в сети может меняться. Например, на электрической станции линия достигает значений двести двадцать киловольт, но в случае поломок напряжение может упасть до ста десяти киловольт.

После обслуживания и ремонта напряжение вернётся к изначальным значением.

Такое напряжение и называют переменным, изменяющееся в определённый временной промежуток. Из-за того, что в России многие сети существуют довольно давно, они уже обзавелись своими ресурсами.

Переменное напряжение не является редким явлением для наших сетей.

При прохождении тока кабели соответственно нагреваются. Постоянные высокие температуры могут воздействовать на проводник, что влияет и на слой изоляции. Пробои напрямую зависят от разных температур.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

Работа электрического поля при перемещении заряда. принцип действия

• Толщины изоляции;
• Диэлектрической проницаемости;
• Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
• Тип диэлектрика;
• Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

• Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
• Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
• Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Электрическая прочность — это минимальное значение напряжённости электрического поля, при которой наступает пробой изоляции. Электрическая прочность изоляции является сложной функцией физиче­ских свойств материала, размеров образца, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.

Различают два основных вида пробоя однородных диэлектри­ков: электрический и тепловой. Кроме того, существует еще иониза­ционный пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале.

Существенное влияние на механизм пробоя в слоистой изоля­ции оказывает развитие скользящих разрядов вдоль лент. Электри­ческая прочность применяемых на практике диэлектриков суще­ственно зависит от неоднородности поля, а также от характера и интенсивности таких процессов в них, как ионизация газовых вклю­чений и химические изменения материала изоляции. Наличие сла­бых мест приводит к тому, что отдельные образцы одного и того же материала пробиваются при различном напряжении, т. е. к по­явлению разброса значений электрической прочности, который зависит от степени однородности диэлектрика.

Обычно пробивное напряжение оценивается средним значени­ем многочисленных результатов испытаний отдельных образцов. Для кабельной изоляции вследствие большой протяженности ка­беля необходимо определить главным образом минимальное зна­чение пробивного напряжения, возможного при данной техноло­гии производства.

В связи с целым рядом факторов, определяющих пробивное на­пряжение изоляции, выбор рабочей напряженности электрического поля является сложной и ответственной частью расчета кабеля. Методы оценки пробивного напряжения и экспериментальные значения электрической прочности кабельной изоляции, а также методика выбора и расчета рабочей напряженности изоляции ка­белей будут рассмотрены далее. При этом необходимо рассмотреть влияние тонких пленок газов и масел на пробой кабельной изоля­ции, разряды в воздушных включениях, зависимость электричес­кой прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия.

Напряженность поля в газовых (а при переменном напряжении — и в масляных) включениях будет выше, чем в однородной изоляции. Это приводит к уменьшению электрической прочности изоляции, так как эти включения в электри­ческом отношении представляют собой ее наиболее слабые места. Как известно, электрическая прочность газа зависит от его при­роды и (согласно закону Пашена) является функцией произведе­ния плотности (давления) и толщины слоя газа: Unp = f(pA).

Под электрической прочностью газовой пленки понимается на­пряженность электрического поля Ен, при которой начинаются разряды в газе.

Зависимость Unp = f(pA) имеет вид кривой с резко выражен­ным минимумом. Минимальное значение Unpдля воздуха соответ­ствует рА = 750 Па×мм и равно 327 В. Для меньших значений рА пробивное напряжение возрастает, потому что плотность воздуха (или толщина слоя А) значительно уменьшается и ионизирующее столкновение в газовом промежутке А становится все менее веро­ятным. Для рА > 750 Па×мм пробивное напряжение возрастает при­мерно по линейному закону, который нарушается лишь при абсо­лютном давлении более 2 МПа.

Закон Пашена в полном виде установлен для газовых промежут­ков между металлическими электродами. В изоляции кабелей газовые включения располагаются или внут­ри изоляционного слоя, или между изоляционным слоем и металличес­кой поверхностью жилы либо обо­лочки. В этом случае возможны от­клонения от закона Пашена, особен­но в области малых значений pD, так как возможно развитие разрядов по поверхности газовых включений.

Для воздушных прослоек, распо­ложенных между стеклянными пла­стинами, С. М.Брагиным была по­лучена зависимость Unpот рА при переменном напряжении, которую можно рекомендовать для прибли­женных расчетов в кабельной изо­ляции (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения пленки газа от про­изведения рΔ

Электрическая прочность газовой пленки зависит также от при­роды самого газа. Для повышения электрической прочности газо­наполненных кабелей применяют элегаз (SF6) и фреон (CC12F2). Электрическая прочность этих газов примерно в 2,2 — 2,5 раза выше электрической прочности воздуха.

При постоянном напряжении и высокой начальной напряжен­ности поля Енв газовом включении возникает ионизация, в ре­зультате которой на некоторое время (примерно на 10-7 с) газ становится проводником. При этом на поверхности включения об­разуется свободный поверхностный заряд. Плотность заряда распределяется таким образом, что на­пряженность поля этого заряда час­тично компенсирует внешнее при­ложенное поле и результирующее поле в газовом включении будет зна­чительно уменьшается. Это приво­дит (при некоторой напряженности поля погасания Еп) к прекращению ионизации, и воздушное включение снова становится непроводником (рис. 2). Период существования ионизации на рисунке обозначен ∆t1. В дальнейшем свободные заряды стекают через диэлектрик, и напря­женность поля во включении нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени релак­сации . Если бы не происходило ионизации, то напряжен­ность поля достигла бы некоторого значения Ев, но при Е = Енионизация возникает снова и цикл повторяется. Время цикла определяется в основном перио­дом между погасанием и зажиганием ∆t2, который зависит от по­стоянной времени релаксации τ. Значение τ для высококачествен­ных диэлектриков находится обычно в пределах от нескольких се­кунд до десятков секунд (в полиэтилене — нескольких часов).

Рис. 2. Напряженность элект­рического поля при разрядах в воздушных включениях

При переменном напряжении после ионизации в газовом вклю­чении также возникают поверхностные заряды, поле которых в один полупериод направлено против внешнего поля. Но в следу­ющий полупериод внешнее поле изменяет направление, и поле зарядов уже не ослабляет его, а усиливает, что приводит к новой вспышке ионизации. В зависимости от внешнего напряжения частота этих вспышек может быть в два или более раз выше частоты напря­жения, т. е. возможно возникновение интенсивной ионизации.

Таким образом, влияние ионизации на процесс старения изо­ляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном напряжении.

Наличие интенсивной ионизации при переменном напряже­нии является одним из основных факторов, ограничивающих ра­бочую напряженность поля в изоляции.

Отказ (выход из строя) кабеля происходит вследствие накопле­ния признаков старения в процессе эксплуатации или ускоренных испытаний. Многочисленные эксперименты показали, что время наработки (до пробоя изоляции) для заданных температуры Т, напряженности электрического поля Е и степени старения может быть представлено функцией

где А и п — постоянные коэффициенты для данной изоляции; W— энергия активации процесса старения, Дж/моль; R = 8,31 Дж/(моль•К).

Зависимость tpот Е представ­лена на рис. 3. На участке 1 коэффициент п велик вследствие малого времени воздействия на­пряжения (импульсов), а на уча­стке 2 при меньшей напряжен­ности поля значение п суще­ственно уменьшается. На этом участке возникают частичные разряды. На участке 3, где интенсивность частичных разрядов слабая, коэффи­циент п снова возрастает. По дан­ным многочисленных публика­ций, электрического старения на участке 3 почти не происходит, если интенсивность частичных разрядов в изоляции не превышает некоторого безопасного уровня.

Рис. 3. Логарифмическая зависи­мость tр от Е:

1…3— участки характеристики

В кабелях с изоляцией, пропитанной вязким электроизоляционным составом, возможно образование газовых включений, в которых возникают частичные разряды. Исследования при циклическом режиме нагревания и охлаждения были проведены для кабелей на напряжение 35 кВ марок ААШв 1×120 и АСШв 1×150 lизоляцией, пропитанной составом МП-2, и марки ЦАСШв с пропиткой нестекающим составом МП-5. Образцы кабелей длиной 30 м с герметизированными концевыми заделками подвергали цикли­ческому нагреванию и охлаждению до температуры окружающей среды. Внутри жилы и под оболочкой были смонтированы медные трубки, соединенные с манометрами. Установлено, что в период охлаждения давление в кабеле становится ниже атмосфер­ного, что приводит к образованию газовых включений с пони­женным давлением. В соответствии с законом Пашена это способ­ствует возникновению частичных разрядов.

Измерения зависимости tgδ от напряжения показали, что в пе­риод нагревания приращение его с повышением напряжения от­сутствует, а это свидетельствует об отсутствии частичных разрядов. В период охлаждения происходит увеличение tgδ, что характерно для напряжения нормальной эксплуатации кабелей или меньшего. Это особенно важно при перенапряжениях, возникающих в кабе­лях в режимах с одноместным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (при линейном напряжении вместо фаз­ного между жилой и оболочкой).

В период нагревания изоляция подвергается медленному старе­нию по механизму термической деструкции. В период охлаждения происходит ее старение под действием ионизации в газовых вклю­чениях, а термическое старение замедляется в связи с понижени­ем температуры. Для выражения такого комплексного старения предложена эмпирическая зависимость, подтвержденная экспери­ментально:

где Unp— пробивное напряжение.

На рис. 4 приведены зависимости пробивного напряжения образцов от времени старения при различных температурах, соот­ветствующие формуле (2). Из рис. 4 можно получить зависимость

Рис. 4. Логарифмическая зависимость пробивного напряжения изоля­ции от времени старения при различной температуре

Если цикл испытаний составляет 8 ч, то для подтверждения 30 лет срока службы кабеля на 10 кВ при длительно допустимой температуре нагревания жилы 70 °С необходимо, чтобы он выдер­жал без пробоя испытания в течение 400 циклов при напряжении 17,3 кВ и максимальной температуре в цикле 90 °С. Этот норматив применяется при испытаниях кабелей, если произошли измене­ния в составе изоляции.

В маслонаполненных кабелях повышенное давление в пропиты­вающем бумажную изоляцию масле предотвращает образование газовых включений и возникновение в них частичных разрядов. При термическом старении изоляции происходит возрастание tgδ и постепенное повышение температуры изоляции, которое при­водит в конечном счете к тепловому пробою.

В процессе старения пропитанной бумажной изоляции проис­ходит выделение газообразных продуктов термической деструкции: водорода, метана, СО2, СО и др. Содержание газов в пропитываю­щем составе определяют по пробам масла, взятым из кабельной линии с применением метода газовой хроматографии. Если содер­жание газов превысит предел их растворимости в пропитывающем составе при нижнем пределе давления в кабельной линии, могут образовываться газовые включения и возникать частичные разряды, которые приведут к ускоренному старению и пробою изоляции.

При расчете полиэтиленовой изоляции кабелей высокого на­пряжения используют средние значения допустимой напряженно­сти электрического поля в изоляции, а также проводят расчет по электрической прочности при воздействии импульсных перена­пряжений (аналогично маслонаполненным кабелям). Толщину изо­ляции определяют по формуле

где U — расчетное напряжение; Ер — расчетное значение средней напряженности поля.

В качестве изоляции применяют полиэтилен низкой плотно­сти, сшитый с применением перекиси дикумила. Процесс сшива­ния и охлаждения изоляции проводят при повышенном давлении (1 …2 МПа), что предотвращает образование газовых включений и частичных разрядов в изоляции.

В формуле (1) п > 12 при отсутствии влаги (имеется металли­ческая оболочка) и п≈10 при возможности воздействия влаги в процессе эксплуатации.

Многочисленные экспериментальные данные по старению по­лиэтиленовой изоляции показали, что в ней образуются дефекты, получившие название триинги. Различают электрические и водные триинги. После эксплуатации в течение нескольких лет кабелей на напряжения 6… 10 кВ при контакте с влагой триинги увеличива­ются по длине и, достигая нескольких десятых долей миллиметра, приводят к пробою изоляции.

Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский , 2006. – 432 с.

Вас также может заинтересовать:

• Общие сведения о диэлектриках
• Кинетика отверждения
• Измерение объемного и поверхностного сопротивления твердых диэлектриков
• Электрическое старение изоляции
• Частичные разряды

Стекло

Получают переплавкой кремнезема – SiO2 (в виде песка) с окислами различных металлов – натрия, калия, свинца, кальция (в виде соды, селитры, буры, различных каменных пород). Стекло – аморфное тело, поэтому оно не имеет определенной температуры плавления. При нагреве стекло размягчается и становится жидким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать, прессовать, отливать. Физические и механические свойства стекла зависят от его состава и обработки. Если обычное стекло хрупкое, то особо закаленное стекло – сталинит обладает высокой прочностью на удар. Стекло практически водонепроницаемо, на него не действуют кислоты (за исключением плавиковой) и щелочи. Однако, стекла, содержащие только щелочные окислы (Na2O, K2O), хорошо растворяются в воде (жидкое стекло). Электроизоляционные свойства стекла очень высоки. С нагревом стекло быстро теряет изоляционные качества. В электротехнике стекло используют для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп, изоляторов и тому подобного. Из стекла можно получить волокна диаметром до 0,005 – 0,006 мм. Отдельные волокна свиваются в нити. Стеклянные нити (стеклопряжа) используют для нагревостойкой изоляции проводников марки ПСД. Электрическая прочность стекла 10 – 40 кВ/мм; ε = 5,5 – 10.

Изолента

Изоляционная лента или изолента знакома пожалуй каждому. По внешнему виду это узкий (не всегда) рулон цветного или чёрного материала. Внутренняя сторона ленты покрыта клеящим составом для приклеивания. Используется лента накручиванием на место изоляции перекрывающими витками.

Силовые кабели: основные виды электрических кабелей и особенности укладки проводки (100 фото)

По материалу изготовления изоляционная лента бывает:

• Поливинилхлоридной (ПВХ)
• Хлопчатобумажной (ХБ)

Первый тип изоленты представлен широким цветовым спектром. ХБ изолента чёрного цвета с характерным запахом резины или битума.

Изолента ПВХ

ПВХ изоленту изготавливают из винила, нанося на одну сторону ленты клеящий состав. Ширина изоленты ПВХ от 15 до 50 мм. Достоинства изоленты ПВХ в высокой эластичности. Недостатки в изменении своих свойств при снижении и повышении температуры. ПВХ изоленты отличные, однако дальше низких напряжения её применение не распространяется.

Изолента ХБ

ХБ изолента характерно чёрного цвета в рулонах шириной 15- 50 мм. Изготавливается из хлопчатобумажных лент из пропиткой в резине и нанесением клеящего слоя на одну сторону. Сочетание хлопка (возможно стеклоткани) делают ХБ ленту устойчиво к колебаниям температур и её применение распространяется на сети напряжением свыше 1000 В.

В физике

Когда напряжение в проводниках увеличивается, соответственно повышается и значения напряжённости в электрических полях. Сам пробой изоляции же возникает в проводниках, которыми могут выступать кабельные жилы или пластины.

При этом значение прочности электричества измеряется киловольтом на миллиметр или киловольтом на сантиметр. Это подходит плоским кабелям, выполненным в виде лент или пластинок, обладающими равномерными изоляционными слоями. Отличным примером является бумажный конденсатор.

Пробои в изоляции становятся причиной коротких замыканий в электрической сети. Для слоёв изоляции её значения прочности изоляции являются ключевым параметром.

О том, какой именно прочностью должны обладать изоляционные слои на тех или иных электрических установках или электрическом оборудовании, можно прочитать в соответствующих разделах ГОСТа.

Электрическая прочность воздушных промежутков

Основы > Электротехнические материалы > Диэлектрики

Электрическая прочность воздушных промежутков При нормальных условиях (давление 0,1 МПа; температура 293 К, абсолютная влажность 11 г/м3) разрядное напряжение воздушного промежутка между плоскими электродами (однородное поле) s — расстояние между электродами, м.Зависимости разрядных напряжений от расстояния между электродами для промежутков с резко неоднородным полем (стержень — стержень, стержень — плоскость) при напряжениях с частотой 50 Гц и импульсном (50%) приведены на рис. 6-1 и 6-2.При условиях, отличных от нормальных, где — относительная плотность воздуха; p — давление, Па; T — температура, К; k — поправочный коэффициент для учета влажности воздуха (рис. 6-3).Для промежутков со слабо неоднородным полем (шары) коэффициент k принимается равным единице. При напряжениях, амплитуды которых меньше 141 кВ, процентная поправка на влажность уменьшается, по сравнению с указанной на рис. 6-3, пропорционально амплитуде напряжения. При предразрядных временах менее 10 мкс процентная поправка на влажность уменьшается пропорционально величине предразрядного времени, т. е. по отношению к 10 мкс.

Рис. 6-1. Разрядные напряжения для воздушных промежутков стержень — стержень и стержень — плоскость при 50 Гц.

Рис. 6-2. Разрядные 50% — ные импульсные напряжения для воздушных промежутков стержень — стержень и стержень — плоскость.

Рис. 6-3. Поправочный коэффициент k для учета влажности воздуха (по ГОСТ 1516-731)

Условия возникновения коронного разряда в случае резко неоднократного поля описаны в разделе.При выборе изоляционных расстояний по воздуху в конструкциях с резко неоднородными полями следует использовать разрядные характеристики промежутков со стержневыми электродами по рис. 6-1 и 6-2 (как наиболее неблагоприятный случай). Для аппаратов высокого напряжения минимальные изоляционные расстояния по воздуху можно принимать равными: где Uн в кВдейств.Если необходимо повысить электрическую прочность воздушных промежутков с тем, чтобы сократить расстояния при недостатке места, принимают меры для выравнивания электрического поля до слабо неоднородного, для чего:а) увеличивают радиусы кривизны электродов так, чтобы они превышали межэлектродное расстояние;б) предусматривают тщательную обработку и устранение каких-либо местных неровностей на поверхностях электродов;в) предусматривают меры против загрязнения и запыления поверхности электродов.Выбор изоляционных расстояний в случае слабо неоднородного поля может быть выполнен по разрядной характеристике для промежутка с шаровыми электродами достаточно большого диаметра (рис. 6-4).Минимальные изоляционные расстояния в распределительных установках нормируются Правилами устройства электроустановок.

Рис. 6-4. Разрядные напряжения для воз душного промежутка со слабо неоднородным полем (шары диаметром более 100 см, один шар за землен) при напря жениях — постоян- ном, переменном 50 Гц и импульсном.

Смотри ещё по разделу на websorКлассификация диэлектриков Поляризация диэлектриков Электропроводность диэлектриков Пробой диэлектриков Электрическая прочность воздушных промежутков Разряд по поверхности твердого диэлектрика Разряд в масле

Электрическая прочность конденсаторов

Электрическая прочность – это способность изоляции противостоять пробою. При нарушении электрической прочности происходит пробой диэлектрика, между обкладками конденсатора возникает короткое замыкание и конденсатор отказывает в работе. Электрическая прочность конденсатора зависит от толщины и качества диэлектрика, от площади обкладок, условий теплоотдачи и т.д.

Электрическая прочность характеризуется величиной пробивной напряженности, которая равна отношению пробивного напряжения к толщине диэлектрика h

Если напряженность поля в диэлектрике достигает значения равного , то происходит пробой диэлектрика конденсатора.

В газообразных диэлектриках пробой носит чисто электрический характер и может быть объяснен теорией ударной ионизации. Пробой газа происходит тогда, когда кинетическая энергия свободных ионов будет достаточной, чтобы ионизировать молекулы при соударении, то есть , образуется ионная лавина, проводимость газа растет. Энергия, приобретенная частицей на длине свободного пробега равна:

– длина свободного пробега.

Электрическая прочность газов зависит от давления (рис. 49). С увеличением давления газа величина уменьшается и электрическая прочность растет пропорционально росту давления так как при меньших требуется более высокая напряженность поля, чтобы накопить энергию, необходимую для ионизации. При переходе в область высокого вакуума, электрическая прочность газа резко возрастает. Это объясняется тем, что количество молекул в единице объема резко снижается и уменьшается вероятность столкновения ионов с молекулами.

Применяя повышенное давление можно повысить электрическую прочность газовой изоляции в 10 – 20

раз, еще более высокие значения пробивной напряженности можно получить, применяя вакуум. Особенностью газообразной изоляции является полная ее восстанавливаемость после пробоя.

Пробивная напряженность зависит от расстояния между электродами (рис. 50).

В случае твердых диэлектриков внутри его или у краев обкладок могут встретиться воздушные включения, которые разрушаются электрическим полем раньше, чем может произойти пробой твердого диэлектрика. Кроме того, возможен поверхностный разряд на границе раздела между воздухом и твердым диэлектриком по поверхности выводных изоляторов или по поверхности изоляционного корпуса.

В случае очень чистых жидких диэлектриков явление пробоя можно объяснить тоже с точки зрения ионизационной теории. Жидкий диэлектрик имеет большую плотность, чем газы, поэтому у них меньше и электрическая прочность значительно выше.

Для жидких диэлектриков технической очисткипробивная напряженность ниже, что связано с наличием пузырьков воздуха, влаги и механических примесей. Под действием поля они выстраиваются в цепочки от электрода к электроду по которым происходит пробой. С увеличением примесей пробивная напряженность уменьшается (рис. 51). Восстанавливаемость электрической прочности жидкости после пробоя хуже, чем газов, так как происходит загрязнение жидкости продуктами ее разложения, образующиеся в момент пробоя.

Для твердых диэлектриков различают: электрический пробой, ионизационный пробой, электротепловой пробой, электрохимический пробой.

С чисто электрическим пробоем конденсаторов с однородным диэлектриком можно встретиться в редких случаях, в основном при воздействии кратковременных единичных импульсов напряжения.

Для конденсаторов с воздушными включениями в порах диэлектрика или у краев обкладок характерен электрический пробой неоднородных диэлектриков, связанный с ионизацией.

При электротепловом пробое нарушается тепловое равновесие между теплом , выделяющимся в диэлектрике и теплом, отводимым от него в окружающую среду .

Если , то происходит нагрев диэлектрика. При этом растет его проводимость, что способствует дальнейшему росту , что ведет к тепловому разрушению диэлектрика. Тепло выделяемое в диэлектрике можно рассчитать по формуле:

где — приложенное напряжение;

— тангенс угла диэлектрических потерь.

Тепло, отведенное в окружающую среду, описывается выражением:

где — коэффициент теплоотдачи с поверхности конденсатора в окружающую среду;

— поверхность с которой происходит теплоотдача;

— температура окружающей среды.

Зависимость от температуры определяется характером зависимости угла потерь от температуры (рис. 52)

– пробивное напряжение, которое выводит конденсатор из строя.

– испытательное напряжение которое конденсатор должен выдержать не пробиваясь в течении определенного промежутка времени (по ГОСТу). Воздействию подвергается каждый конденсатор.

– рабочее напряжение при котором конденсатор может надежно работать длительное время. указывается в маркировке конденсатора и его называют номинальным .

Отношение — характеризует запас электрической прочности при работе конденсатора, а отношение — запас электрической прочности при испытании конденсатора.

Для конденсаторов с органическим диэлектриком, заметно снижающим свою электрическую прочность с течением времени, применяют большие запасы электрической прочности и .

Для конденсаторов с газообразным и твердым неорганическим диэлектриком, в которых явление старения диэлектрика отсутствует или выражено слабее, значения ,

В конденсаторах с металлизированным диэлектриком в связи с их способностью к самовосстановлению при пробое значение лежит ближе к , чем у конденсаторов с обкладками из фольги. Для них .

Для электролитического конденсаторов испытания на пробой не применяют, так как оксидные слои в этих конденсаторах используются на пределе.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана [CH3 (CH2)4CH3]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов

Какими бывают пробои

Разделяют несколько видов пробоев изоляции. К ним относятся:

1. Электрические пробои.
2. Тепловые пробои.
3. Ионизационные пробои. Такой вид возникает из-за ионизации газов в диэлектрических веществах твёрдого типа.

Значения прочности зависят от неоднородных полей и протекающего процесса ионизации газов. Кроме того, это могут быть другие химические реакция, происходящие с материалом, из которого сделан слой изоляции.

Пробои могут возникнуть в одинаковых материалах от воздействия разных напряжений. Обычные порог значения напряжений выясняется путём длительных тестов и вычислений.

С помощью закона Пашена можно вычислить значение зависимости энергетической прочности от давления и размера газовых слоёв.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

Или определяется по формуле:

Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Связь с газом

Не все знают, как связаны между собой газ и изоляционные слои на электрическом оборудовании. При этом они тесно связаны между собой, поскольку газ считается хорошим диэлектрическим веществом.

С помощью газа обеспечивается изоляция на электрическом оборудовании, рассчитанном на большое количество вольт.

Для такой изоляции применяют:

1. Воздух.
2. Азот.
3. Гексафторид серы.

Гексафторид серы можно называть элегазом, он является одним из самых лучших способов обеспечения изоляции. Чтобы распределять и принимать электричество больше ста киловольт, применяют специальные устройства распределения.

Благодаря таким устройствам можно создавать отводы на электрических подстанциях, или создавать приём электрической энергии в большие города.

Для устройства распределения как раз используют элегаз. Его применяют не только как слой изоляции: газ может возникать при работе проводов, наполненных маслом. При прохождении напряжений с разным значением возникают прогрев и охлаждение.

«Термической деструкцией» называют кабели, где изоляционный слой из бумаги пропитан маслянистым веществом. При распаде целлюлозы образуется такие вещества, как метан, газы (углекислый и угарный), другие летучие вещества.

Когда слой изоляции начинает устаревать, может возникнуть пробой с ионизацией. По этой причине сегодня всё реже применяются проводники с изоляцией из пропитанной бумаги, а если они где и встречаются, то в сетях до тридцати пяти киловольт.

Электрическая прочность — воздух

Корона на металлическом Пробой и перекрытие шаре. твердой изоляции.

На величину электрической прочности воздуха, как и других газов, оказывает большое влияние давление. При повышении давления электрическая прочность газов существенно возрастает ( сравните р с. Это обстоятельство используется в некоторых электрических аппаратах и кабелях. При понижении давления электрическая прочность воздуха ( и других газов) уменьшается; однако при достижении очень глубокого вакуума электрическая прочность вновь сильно повышается.

Напряжение и ток при частичном разряде ( ЧР и воздуш.

При атмосферном давлении электрическая прочность воздуха, как известно, ниже, чем изоляция. При определенных условиях напряженность поля в воздушном включении может превысить критическое значение ( в среднем 33 кв / см), и тогда произойдет его пробой.

Зависимость предельного тока отключения воздушного выключателя от отношения площади выходного отверстия к расстоянию между контактами ( по Лабуре.| Зависимость мощности отключения воздушного выключателя от давления ( данные Эдсела и Стоббса.

Влияние давления на электрическую прочность воздуха в сильной степени зависит от характера электрического поля между контактами.

Влияние давления на электрическую прочность воздуха в сильной степени зависит от характера электрического поля между контактами. Только в равномерном поле пробивное напряжение воздуха при частоте 50 гц повышается с повышением давления. В неоднородном поле, которое обычно имеет место в существующих дуго-гасительных устройствах, при небольших давлениях пробивное напряжение сначала повышается с увеличением давления, но при дальнейшем повышении давления оно начинает понижаться, а затем опять повышается.

Провод марки ПР.

Ввиду того, что электрическая прочность воздуха значительно меньше, чем твердых и жидких диэлектриков, расстояние между неизолированными ( голыми) токоведущими частями, находящимися под высоким напряжением, для надежности работы установки должно выбираться значительно большим, чем расстояние между токоведущими частями, разделенными твердым или жидким диэлектриком.

При увеличении абсолютной влажности электрическая прочность воздуха также увеличивается. Это явление незначительно сказывается в однородных или слабо неоднородных полях. Но его следует учитывать в резко неоднородных полях, особенно при точных измерениях. Однако более важным параметром является относительная влажность. Если в данном помещении относительная влажность высока, то на поверхности твердых материалов образуется влажная пленка. В результате поверхностное сопротивление материала снижается и заряды стекают с поверхности. Образование влажной пленки на поверхности зависит от качества поверхности, является она гидрофобной или гидрофильной. Удельное объемное сопротивление также зависит от относительной влажности.

Зависимость разрядного градиента Ер ( амплитудные значения в однородном поле от расстояния между электродами I при различной относительной плотности воздуха б.

Для очень длинных промежутков электрическая прочность воздуха при атмосферном давлении ( 61) стремится к значению 2 45 кВ / мм, в то время как при том же давлении, но при расстоянии между электродами 10 мм разрядный градиент будет примерно 3 1 кВ / мм. Надо отметить, что даже в однородном поле разрядные градиенты не остаются строго постоянными, а уменьшаются по мере возрастания длины промежутка. При давлении сжатого воздуха свыше 1 МПа все более заметно проявляется эффект автоэлектронной эмиссии, приводящей к весьма существенным отклонениям разрядных характеристик от закона Пашена, вследствие чего напряженность поля Е перестает изменяться пропорционально давлению и потому все более заметной становится разница в разрядных напряжениях промышленной частоты при кратковременном и длительном его приложении. Ввиду этого, очевидно, теряет всякий смысл говорить о разрядных градиентах сжатого воздуха даже в однородном поле в отрыве от конкретной длины межконтактных промежутков и фактической плотности газа.

Напряженность поля близка к электрической прочности воздуха.

При какой форме электродов величина электрической прочности воздуха наибольшая.

Понижение давления приводит к падению электрической прочности воздуха, что может вызвать перекрытие воздушных зазоров и появление разряда. Изменение атмосферного давления также влияет на величину емкости воздушного конденсатора, вызывая тем самым изменение выходных параметров аппаратуры в целом.

Электрическая прочность диэлектриков

Пробой диэлектриков и электрическая прочность

.
Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критиче­ское значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свой­ства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрас­тает до 108 А/м2, а сопротивление диэлектрика уменьшается до та­кого значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение на­пряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя – электрической проч­ностью.

Рис. 7.18. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика.

На рис. 7.18 показана типичная зави­симость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного на­пряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U
пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. В зависимости от свойств изоляции и мощности источника элект­рической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощно­сти источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подоб­ные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплав­ленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому об­разцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то про­бой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем
U
прпервого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения
U
пр,таккак атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процес­се пробоя частицы.

Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то E

пр=
U
пр
/h,
где
Е
пр – электрическая прочность, В/м;
U
np – пробивное напряжение, В;
h
– расстоя­ние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в кило­вольтах, толщину диэлектрика – в миллиметрах, а электрическую прочность – в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедли­вы следующие соотношения: 106В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

Рис. 7.19. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов.

Экспериментально определяемая величина Е
пр зависит от толщины образ­ца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и време­ни воздействия приложенного напря­жения. Значение
Е
пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от
Е
прна переменном, а также различаются значения
Е
прна импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину
Е
пр влияют и другие фак­торы. Определение электрической прочности проводится стандар­тизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е

пртвердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения по­верхностного пробоя можно проводить определение
Е
прна образ­цах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансфор­маторном масле. На рис. 7.19 приведены формы и размеры ряда об­разцов для определения
Е
пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его
U
пр, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 7.19,
б)
и цилиндрического (рис. 7.19,
д)
образцов.

Рис. 7.20. Ячейка для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков с латунными электродами Э1 и Э2

В качестве электродов могут ипользоваться массивные метал­лические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей ста­ли, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и транс­форматорном масле фольговые, напыленные в вакууме металличе­ские, графитовые и другие электроды. Для получения в месте про­боя однородного поля диаметр D
1 нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра
D
верхнего электрода (рис. 7.19,
а).
Могут применяться и электроды с одинаковыми диа­метрами (рис. 7.19,
в).
Однородное поле в тонких пленочных образ­цах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 7.19, г).

Для определения
E
пржидких диэлектриков используют специаль­ные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специ­альных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни (рис. 7.20).

Измерение U

пробразцов диэлектриков производится на испы­тательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 7.21.

Установка для измерения U

прпри частоте 50 Гц (рис. 7.21,
а)
состоит из испытательного трансформатора
Т
для повышения на­пряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансфор­матора плавно или ступенями изменяется с помощью автотранс­форматора
АТ.
Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защит­ный резистор
R
служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора
Т.
Напряже­ние на образце измеряется вольтметром
V,
который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной ус­тановки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток ко­роткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких ди­электриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмот­ке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансфор­матора и резисторе
R
опасно для жизни. Поэтому трансформатор
Т,
резистор
R
и испытательное поле, на котором расположены обра­зец 1, электроды 2, 3,размещают в защитной камере
ЗК.

Рис. 7.21. Принципиальная схема измерения пробивного напряжения на частоте 50Гц (а) и на постоянном напряжении (б).

В ходе определения Е
пр напряжение на низковольтной обмотке плавно или ступенями повышают и фиксируют напряжение пробоя по вольтметру
V.
В цепи низкого напряжения предусмотрено авто­матическое устройство, которое отключает питание установки в мо­мент пробоя. Сигнальная лампа
СЛ
указывает на включение и от­ключение установки.

Для измерения U

пр на постоянном токе (рис. 7.21,
б)
в цепь вы­сокого напряжения включают высоковольтный диод
Д
и конденса­тор Сф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополупериодной схеме выпрямления.

Число пробоев при испыта­ниях оговаривается техничес­кими условиями на свойства материалов. Однако в любом случае число пробоев должно быть не менее 5. а при испытании узких и ленточных материалов электродами с диаметром 6 мм число пробоев должно быть не менее 10. В том случае, если отдельные результаты отличаются от среднего арифметического более чем на 15%, число пробо­ев увеличивается в два раза.

Физическая природа пробоя диэлектриков.Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрический пробой

, в процессе которого диэлект­рик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Этот вид про­боя протекает в течение 10-8-10-5 с, т.е. практически мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свобод­ного пробега λ, электрон в электрическом поле
Е
приобретает энер­гию
W=еЕλ,
где
е
– заряд электрона. Если энергия электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами, ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизи­рует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии
Wи.
Таким образом, количество свободных электронов лавинно возрастает, что приводит к резкому повышению проводимости и электрическому пробою. Плотность жидких и твердых диэлектриков больше плотности га­зообразных, а поэтому длина свободного пробега электронов в них меньше. Для того чтобы электрон приобрел энергию
Wи
в жидком и твердом диэлектриках нужна большая напряженность электри ческого поля. Следовательно, в случае электрического пробоя элект­рическая прочность жидких и твердых диэлектриков больше, чем газообразных. Действительно, при нормальных условиях для воз­духа
Е
пр=3·106 В/м, для жидких диэлектриков может достигать 108В/м, для твердых (монокристаллов) – даже 109В/м.

Электротепловой пробой

, обусловлен прогрес­сивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда на­рушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделя­ющаяся теплота больше отводимой, то диэлектрик нагревается и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, что происходит прожог, проплавление, т. е. пробой. Вре­мя развития и величина
U
прэлектротеплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия (образца) и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10-3-10-2с, т.е. во много (миллионы) раз медленнее электрического. Значение
E
прсостав­ляет до 107 В/м.

Электрохимический пробой

(электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического соста­ва и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 103-108с и на­зывается временем жизни τж диэлектрика. С увеличением напряже­ния или температуры τж, как правило, уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях, значи­тельно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика.

Ионизационный пробой

возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах. Раз­рушительное воздействие частичных разрядов на диэлектрик обу­словлено многими факторами: окисление полимерных диэлектриков; электроны и ионы производят механическое разрушение; оксиды азота и озон химически разрушают полимер; тепловое воздействие разряда.

Электромеханический пробой

наблюдается в полимерных диэлектриках при температурах, когда они находятся в высокоэластичном состоянии. Под действием сил электростати­ческого притяжения, происходит механическое сдавливание диэлектри­ка, уменьшение его толщины. При достижении критической дефор­мации происходит механическое разрушение образца.

Электромеханический пробой

является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые об­ласти диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее на­гретых областей. В результате в диэлектрике возникают механи­ческие напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Пробой газообразных диэлектриков.Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоко­вольтных выключателей, изоляторов линий электропередачи и дру­гих электротехнических устройств.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоля­ционными свойствами только при низких напряжениях. В сильных электрических полях, когда начинается процесс ударной иониза­ции, проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации мо­лекул или атомов различных газов изменяется от 4 до 25эВ. Та­кую энергию имеет электрон, если скорость его движения равна 1000км/с.

Пробой развивается следующим образом. Под действием внеш­него ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ио­низацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 105м/с первичная электронная лавина. На пути следо­вания лавины образуется канал, состоящий из электронов и поло­жительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

В ряде случаев ускоренный полем электрон при столкновении с частицами газа передает им свою энергию, однако ионизации не происходит. Энергия затрачивается на перевод в возбужденное состояние электронов в атомах или молекулах. В последующем электроны возвращаются в невозбужденное состояние, а запасенная избыточная энергия излучается в виде кванта света, фотона. Фото­ны образуются и в результате рекомбинации электронов и ионов. Фотоны распространяются со скоростью света (3·108м/с), и их энергия в некоторых случаях достаточна, чтобы произвести фотоионизацию других атомов или молекул, расположенных далеко впе­реди фронта первичной лавины. В результате появляются вторичные, образовавшиеся за счет фотоионизации электроны, которые в свою очередь начинают процесс ударной ионизации и порождают новые электронные лавины, расположенные далеко впереди фронта пер­вичной лавины.

Отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электро­ны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состо­ит из положительных ионов и его называют стримером.

Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия – головки стримера – напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. В результате область близ головки стримера превраща­ется в электропроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Часть электронов рекомбинирует с ионами, по­рождая фотоизлучение, которое вызывает вторично фотоионизацию. Образующиеся фотоэлектроны рождают новые, дочерние электрон­ные лавины, и стример перемещается к катоду, а генерируемые фо­тоэлектроны втягиваются в область, занятую положительными ио­нами, превращая ее в электропроводящую плазму. Стример пере­мещается к катоду со скоростью 106м/с, достигает его, и электропроводящий плаз­менный канал замыкает разрядный промежуток. В результате уда­ров положительных ионов на поверхности катода образуется катод­ное пятно, излучающее электроны, которые со скоростью 107м/с распространяются по электропроводящему плазменному каналу к аноду. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как ис­кра (искровой разряд). Пробивным напряжением газа является на­пряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощ­ность источника напряжения достаточна для поддержания испаре­ния металла катода и мощного дугового разряда, то между элект­родами загорается электрическая дуга (дуговой разряд).

Скорости распространения электронных лавин к аноду, стриме­ра к катоду и электронов с катодного пятна к аноду большие, по­этому пробой газа в однородном поле развивается весьма быстро. Например, пробой промежутка 1 см при нормальных атмосферных условиях завершается за 10-8-10-7с. При кратковременном воздействии напряжения разряд в газе может не оформиться и пробивное напряжение повышается. Такое увеличение характеризуют коэффициентом импульса ng w:val=»-2″/>50″> , где – пробивное напряжение при энном импульсе; – пробивное напряжение при постоянном и временном напряжении с частотой 50 Гц. Коэффициент импульса зависит от формы импульса и однородности электрического поля в разрядном промежутке. При пробое промежутков с резко неодно­родным полем может достигать значения 1,5.

Для пробоя газа в однородном поле характерны зависимости электрической прочности от плотности газа и расстояния между электродами. Плотность газа прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Пробой газа в неоднородном поле отличается от пробоя в одно­родном. Неоднородное поле образуется между острием и плоско­стью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхно­стями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. В тех местах между электродами, где напряженность имеет повышенное значение, начинается ударная ионизация уже при напряжениях, меньших характерного для данного промежутка пробивного напряжения. В результате возникает и локализуется в ограниченной зоне разряд в виде короны.

Такую форму разряда называют
неполным пробоем газа.
Ионизированная плазма является проводником и. следовательно, продолжением электрода, около которого возникает корона. Из-за этого форма электрода изменяется так, что электри­ческое поле около него выравнивается. Максимальная напряжен­ность электрического поля становится равной напряженности, ми­нимально необходимой для ударной ионизации. Поэтому корона не распространяется на весь разрядный промежуток. При повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточ­ной мощности источника – в дуговой.

Пробой жидких диэлектриков.Природа пробоя жидких диэлект­риков во многом зависит от их чистоты.

Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электро­нов в жидкий диэлектрик с катода и образования электронных ла­вин. В ходе распространения лавин возникают стримероподобные образования, которые в результате процессов фотоионизации пере­мещаются от анода к катоду со скоростью 105м/с. Пробой заверша­ется, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости существенно больше плотности газа; следовательно, длина свободного пробега электро­нов, производящих ионизацию, здесь меньше. Поэтому энергию, достаточную для ионизации, элект­рон приобретает при напряжен­ности в 100 раз большей, чем в га­зах. В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микро­объемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увели­чивается, включения сливаются, образуя между электродами мо­стик, по которому проходит разряд в газе. Газы имеют малый ко­эффициент теплопроводности. Следовательно, слой газа на электро­дах образует участок с большим тепловым сопротивлением. В ре­зультате температура близ границы раздела жидкость – газ по­вышается, что приводит к вскипанию жидкости, а далее и к ее про­бою. В процессе пробоя жидкости с большим содержанием газа (га­зовые включения), которые первоначально имеют сферическую фор­му, в электрическом поле деформируются. При деформации они превращаются в эллипсоиды вращения, удлиняются и сливаются образуя сплошной газовый канал между электродами, что приводит к пробою.

Механизм пробоя увлажненных жидкостей зависит от содержа­ния и состояния воды в них. Вода, содержащаяся в жидком ди­электрике в свободном виде, может быть в эмульсионном состоянии, когда образуются сферические капельки воды с диаметром 10-6м. В электрическом поле водяные включения втягиваются в простран­ство между электродами и деформируются. При деформации обра­зуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются и притягива­ются друг к другу и, сливаясь, замыкают электроды мостиками с ма­лым электрическим сопротивлением, по которым проходит разряд. Этим процессом объясняется уменьшение Е

пртрансформаторного масла при его увлажнении. При температурах, близких к 0°С, содержащаяся в масле вода нахо­дится в эмульсионном состоянии и
Е
пр имеет минимальное значение. С увеличением температуры вода переходит в растворенное состоя­ние, т. е. отдельную ее фракцию и свободное состояние исчезает. В состоянии раствора примесь воды в меньшей степени снижает
Е
пр трансформаторного масла. При температурах, больших 70°С в трансформаторном масле начинается процесс кипения легких его фракций и количество газов увеличивается, что снижает
Е
пр. Увеличение
Е
пр при понижении температуры до 40°С вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию и замерзает. Электрическая прочность сухого масла имеет большее значение, чем увлажнен­ного, и практически не изменяется до температуры 70 °С.

В загрязненной твердыми частицами жидкости частички загряз­нений – волоконца, сажа, продукты разрушения твердой изоля­ции в электрическом поле – поляризуются, втягиваются в меж­электродное пространство и, так же как эмульсионная вода, обра­зуют между электродами сплошные цепочки с пониженным элект­рическим сопротивлением. По этим цепочкам и проходит разряд.

В жидкихдиэлектриках, содержащих воздушные включения, протекают и процессы химического разложения жидкости под дей­ствием ионизации. Такое явление называется вольтализацей жидко­сти.

В качестве электроизоляционных широко используются жид­кости, состоящие из непредельных углеводородов. В ходе вольтализации таких жидкостей увеличиваются молекулярная масса и вяз­кость, выделяется водород, т.е. растет объем газовой фазы.

Про­цесс ионизации газа во включе­ниях протекает в электрических полях намного меньших Е

пр жидкости, поэтому такой вид про­боя откосят к электрохимичес­кому. Эти процессы обусловливают электрическое старение жидких диэлектриков. Время подготовки пробоя в ходе вольтализации достигает 105с и более.

Пробой твердых диэлектриков.Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика и условий опреде­ления электрической прочности. При испытаниях на импульсах с длительностью 10-8-10-5с в условиях, когда отсутствуют раз­ряды у краев электродов, имеет место электрический пробой образца. Если проводимость такого диэлектрика велика и резко за­висит от температуры, то при выдержке этого же образца под на­пряжением в течение 10-3-10-2с в нем развивается тепловой про­бой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, однако такими, при которых в диэлект­рике происходят частичные разряды в газовых включениях или другие процессы, обусловливающие электрическое старение, на­блюдается электрохимический пробой.

Для электрического пробоя

твердых диэлектриков характерны­ми являются следующие признаки. В сильных электрических полях в зависимости от тока, протекающего через диэлектрик, от напряжен­ности электрического поля отсутствует участок насыщения, харак­терный для газов и чистых жидкостей (см. рис. 7.2). При увеличе­нии напряженности ток перед пробоем растет экспоненциально. Для самых различных по свойствам диэлектриков
Е
пр изменяется в до­вольно узких пределах: 107-108В/м. Величина
Е
пр не зависит от свойств среды, окружающей образец. Электрическая прочность мо­нокристаллических диэлектриков различается при пробое вдоль различных осей монокристалла. Величина
Е
пр не зависит от време­ни выдержки образца под напряжением и его толщины. Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электронов и завершается в течение 10-8-10-7с. Поэтому при меньших временах выдержки пробой не успевает за­вершиться и
Е
пррастет. Пробой тонких (толщиной 10-8-10-5м) диэлектрических пленок обусловлен формированием многих элек­тронных лавин и поэтому требует более длительного времени – 10-6-10-5с. В таких образцах
Е
прувеличивается уже при выдержках под напряжением, меньших 10-6-10-5с. Для того чтобы в таких пленках образующиеся при пробое электронные лавины приобрели достаточную для пробоя мощность, необходимо уве­личить напряженность электрического поля. Поэтому
Е
прпри толщинах образца, меньших 10-7-10-6м, увеличивается и может достигать значений 1010В/м. При электрическом пробое
Е
прне зависит от температуры, что соответствует участку
А
на рис. 7.22 (кривая 1). Однако в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, возможна термическая ионизация ловушек, а следовательно, увеличение концентрации электро­нов и уменьшение
Епр
(участок
Б).
Электрическая прочность ион­ных кристаллов при импульсных напряжениях с ростом температу­ры может и несколько увеличиваться (рис. 7.22, кривая 2).Это вы­звано торможением электронов в зоне проводимости при их взаимо­действии с ионами узлов кристаллической решетки. При электриче­ском пробое в однородном поле
Е
пр больше, чем в неоднородном.

Величина Епр

неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попа­дает в объем между электродами. Такое уменьшение
Епр
характерно для бумаг, картонов и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным элект­рическим сопротивлением, для пори­стых керамик, где возможна иониза­ция газа в порах.

Для электротеплового пробоя

ха­рактерно следующее: электрическая прочность Епр снижается при длительной выдержке под напряжением диэлектрик нагревается за счет диэлектрических потерь больше; при увеличении толщины уменьшается теплоотвод от образца в окружающую сре­ду. На постоянном напряжении диэлектрические потери вызываются электропроводностью и определяются электрическим сопротивле­нием образца и ростом теплоты. Для плоского конденсатора потери рассчитывают по формуле
).
На переменном напряжении потери можно рассчитать по формуле:

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности, суммарная пло­щадь которой равна 2S. Отводимая мощность рассчитывается по фор­муле ,

где σТ — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду. Вт/(м · К);
Т –
температура диэлектрика. Если
Р
>Ротв, то под действием при­ложенного напряжения температура диэлектрика увеличивается, что с течением времени приводит к его тепловому разрушению – проплавлению, прожогу, другим подобным явлениям. Пробивное напряжение рассчитывают из условия, что
Р=
Ротв. С ростом тем­пературы
Т0
уменьшаются ρ0 и Ротв растет tgδ, а поэтому
Епр
уменьшается.

Механизмы электрохимического пробоя

различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

Основной причиной электрического старения

полимеров явля­ются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном нанапряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают различные процессы, которые приводят к разрушению ди­электрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов – трубочек, заполненных образующимся в результате разложения полимера. Дендриты в ходе роста ветвятся и с течением времени пронизывают всю толщу диэлектри­ка, замыкая электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпок­сидных смол. Если изоляция работает в условиях повышенной влажности, то могут развиваться и водные дендриты. В слоистой изоляции на основе полимерных пленок под действием частичных разрядов происходит разрушение поверхности пленки. В результа­те уменьшения толщины уменьшается ее пробивное напряжение. Старение неорганических диэлектриков протекает более интен­сивно на постоянном напряжении.

Скорость процесса электрического старения возрастает при уве­личении напряженности электрического поля. Время τж развития электрохимических процессов элек­трического старения при посто­янной температуре органических и неорганических диэлектриков можно рассчитать по эмпиричес­кой формуле ,

где А – постоянная, зависящая от условий старения;
т
— показатель, оп­ределяемый экспериментально и изменяющийся в широких преде­лах: 3—14. Время жизни уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону , где W – энергия активации процесса старения, Дж;
R
— постоянная Больцмана, Дж/К;
Т-
температура, К.

Изменение электрической прочности при облучении.

Электри­ческая прочность при электрической форме пробоя не изменяется, если в материале под действием ионизирующих излучений не про­изошли необратимые физико-химические процессы деструкции ма­териала.

Ионизирующие излучения большой мощности вызывают нагрев вещества и уменьшают его теплопроводность, что снижает Епр

при тепловом пробое диэлектрика. При облучении в диэлектрике мо­гут наблюдаться газовыделение и ионизация газа в порах. Эти про­цессы ускоряют разрушение и снижают электрическую прочность диэлектрика, как и частичные разряды, возникающие в диэлектри­ке в электрическом поле.

Глубина необратимых превращений в структуре и сопутствую­щее им снижение электрической прочности электроизоляционных материалов зависят от поглощенной дозы ионизирующих излуче­ний. Электрическая прочность деструктирующихся при облучении полимеров уменьшается при такой поглощенной дозе, когда резко ухудшаются их механические свойства. В полимерах, которые при облучении сшиваются, Епр

уменьшается при такой поглощенной до­зе, где образец разрушается в результате нарастания хрупкости.

Поверхностный пробой.

В электроизоля­ционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изо­ляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагопри­ятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона.

Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределе­ния потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности воз­никают мощные искры, под действием которых в материале могут об­разовываться проводящие каналы – треки.

Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов,

называется трекингом диэлектрика.

Способность диэлект­рика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга характеризуется трекингостойкостью. Трекингостойкость опре­деляется повремени
t
тр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них
U
тр, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного зна­чения
I
тр

Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает по­верхность неорганических диэлектриков. Однако при мощном дуго­вом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев даже фарфоровых изоляторов, а поверхность органических диэлектри­ков обугливается и на ней образуется сплошной проводящий след.

Способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств называют дугостойкостью.

Дугостойкость диэлектрика на перемен­ном напряжении частоты 50 Гц определяется током дуги
I
д и вре­менем
t
д. При определении
t
д близ поверхности плоского образца ди­электрика размещают два электрода, к которым приложено напря­жение 1000 В, и горит дуга, ток которой равен Iд. Возникающая дуга воздействует на поверхность диэлектрика, в результате чего через время tд на поверхности образуется токопроводящая перемычка.

При разработке многих электроизоляционных изделий их поверхность конструируется такой, чтобы предотвратить при загрязнении и увлажнении образование поверхностных искровых разрядов и короны. Например, поверхность изоляторов выполняется ребристой, что удлиняет путь поверхностного разряда, а следовательно. повышает его напряжение. Ребра изолятора образуют также и уча­стки на его поверхности, защищенные от смачивания во время дождя.

Напряжение поверхностного перекрытия диэлектрика в газе может быть увеличено, если повысить давление.

Электрическая прочность.

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Электрическая прочность диэлектриков

Пробой диэлектриков и электрическая прочность. Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критиче­ское значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свой­ства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрас­тает до 10 8 А/м 2 , а сопротивление диэлектрика уменьшается до та­кого значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение на­пряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя – электрической проч­ностью.

Рис. 7.18. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика.

На рис. 7.18 показана типичная зави­симость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного на­пряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U _пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. В зависимости от свойств изоляции и мощности источника элект­рической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощно­сти источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подоб­ные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплав­ленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому об­разцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то про­бой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем U _прпервого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U _пр,таккак атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процес­се пробоя частицы.

Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то E _пр= U _пр /h, где Е _пр – электрическая прочность, В/м; U _np – пробивное напряжение, В; h – расстоя­ние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в кило­вольтах, толщину диэлектрика – в миллиметрах, а электрическую прочность – в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедли­вы следующие соотношения: 10 6 В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

Рис. 7.19. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов.

Экспериментально определяемая величина Е _пр зависит от толщины образ­ца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и време­ни воздействия приложенного напря­жения. Значение Е _пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от Е _прна переменном, а также различаются значения Е _прна импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину Е _пр влияют и другие фак­торы. Определение электрической прочности проводится стандар­тизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е _пртвердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения по­верхностного пробоя можно проводить определение Е _прна образ­цах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансфор­маторном масле. На рис. 7.19 приведены формы и размеры ряда об­разцов для определения Е _пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U _пр, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 7.19, б) и цилиндрического (рис. 7.19, д) образцов.

Рис. 7.20. Ячейка для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков с латунными электродами Э1 и Э2

В качестве электродов могут ипользоваться массивные метал­лические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей ста­ли, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и транс­форматорном масле фольговые, напыленные в вакууме металличе­ские, графитовые и другие электроды. Для получения в месте про­боя однородного поля диаметр D ₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D верхнего электрода (рис. 7.19, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диа­метрами (рис. 7.19, в). Однородное поле в тонких пленочных образ­цах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 7.19, г). Для определения E _пржидких диэлектриков используют специаль­ные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специ­альных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни (рис. 7.20).

Измерение U _пробразцов диэлектриков производится на испы­тательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 7.21.

Установка для измерения U _прпри частоте 50 Гц (рис. 7.21, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения на­пряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансфор­матора плавно или ступенями изменяется с помощью автотранс­форматора АТ. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защит­ный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора Т. Напряже­ние на образце измеряется вольтметром V, который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной ус­тановки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток ко­роткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких ди­электриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмот­ке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансфор­матора и резисторе R опасно для жизни. Поэтому трансформатор Т, резистор R и испытательное поле, на котором расположены обра­зец 1, электроды 2, 3,размещают в защитной камере ЗК.

Рис. 7.21. Принципиальная схема измерения пробивного напряжения на частоте 50Гц (а) и на постоянном напряжении (б).

В ходе определения Е _пр напряжение на низковольтной обмотке плавно или ступенями повышают и фиксируют напряжение пробоя по вольтметру V. В цепи низкого напряжения предусмотрено авто­матическое устройство, которое отключает питание установки в мо­мент пробоя. Сигнальная лампа СЛ указывает на включение и от­ключение установки.

Для измерения U _пр на постоянном токе (рис. 7.21, б) в цепь вы­сокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденса­тор С_ф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополупериодной схеме выпрямления.

Число пробоев при испыта­ниях оговаривается техничес­кими условиями на свойства материалов. Однако в любом случае число пробоев должно быть не менее 5. а при испытании узких и ленточных материалов электродами с диаметром 6 мм число пробоев должно быть не менее 10. В том случае, если отдельные результаты отличаются от среднего арифметического более чем на 15%, число пробо­ев увеличивается в два раза.

Физическая природа пробоя диэлектриков. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрический пробой, в процессе которого диэлект­рик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Этот вид про­боя протекает в течение 10 -8 -10 -5 с, т.е. практически мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свобод­ного пробега λ, электрон в электрическом поле Е приобретает энер­гию W=еЕλ, где е – заряд электрона. Если энергия электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами, ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизи­рует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии W_и. Таким образом, количество свободных электронов лавинно возрастает, что приводит к резкому повышению проводимости и электрическому пробою. Плотность жидких и твердых диэлектриков больше плотности га­зообразных, а поэтому длина свободного пробега электронов в них меньше. Для того чтобы электрон приобрел энергию W_и в жидком и твердом диэлектриках нужна большая напряженность электри ческого поля. Следовательно, в случае электрического пробоя элект­рическая прочность жидких и твердых диэлектриков больше, чем газообразных. Действительно, при нормальных условиях для воз­духа Е _пр=3·10 6 В/м, для жидких диэлектриков может достигать 10 8 В/м, для твердых (монокристаллов) – даже 10 9 В/м.

Электротепловой пробой, обусловлен прогрес­сивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда на­рушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделя­ющаяся теплота больше отводимой, то диэлектрик нагревается и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, что происходит прожог, проплавление, т. е. пробой. Вре­мя развития и величина U _прэлектротеплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия (образца) и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10 -3 -10 -2 с, т.е. во много (миллионы) раз медленнее электрического. Значение E _прсостав­ляет до 10 7 В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического соста­ва и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10 3 -10 8 с и на­зывается временем жизни τ_ж диэлектрика. С увеличением напряже­ния или температуры τ_ж, как правило, уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях, значи­тельно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах. Раз­рушительное воздействие частичных разрядов на диэлектрик обу­словлено многими факторами: окисление полимерных диэлектриков; электроны и ионы производят механическое разрушение; оксиды азота и озон химически разрушают полимер; тепловое воздействие разряда.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при температурах, когда они находятся в высокоэластичном состоянии. Под действием сил электростати­ческого притяжения, происходит механическое сдавливание диэлектри­ка, уменьшение его толщины. При достижении критической дефор­мации происходит механическое разрушение образца.

Электромеханический пробой является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые об­ласти диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее на­гретых областей. В результате в диэлектрике возникают механи­ческие напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Пробой газообразных диэлектриков. Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоко­вольтных выключателей, изоляторов линий электропередачи и дру­гих электротехнических устройств.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоля­ционными свойствами только при низких напряжениях. В сильных электрических полях, когда начинается процесс ударной иониза­ции, проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации мо­лекул или атомов различных газов изменяется от 4 до 25эВ. Та­кую энергию имеет электрон, если скорость его движения равна 1000км/с.

Пробой развивается следующим образом. Под действием внеш­него ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ио­низацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 10 5 м/с первичная электронная лавина. На пути следо­вания лавины образуется канал, состоящий из электронов и поло­жительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

В ряде случаев ускоренный полем электрон при столкновении с частицами газа передает им свою энергию, однако ионизации не происходит. Энергия затрачивается на перевод в возбужденное состояние электронов в атомах или молекулах. В последующем электроны возвращаются в невозбужденное состояние, а запасенная избыточная энергия излучается в виде кванта света, фотона. Фото­ны образуются и в результате рекомбинации электронов и ионов. Фотоны распространяются со скоростью света (3·10 8 м/с), и их энергия в некоторых случаях достаточна, чтобы произвести фотоионизацию других атомов или молекул, расположенных далеко впе­реди фронта первичной лавины. В результате появляются вторичные, образовавшиеся за счет фотоионизации электроны, которые в свою очередь начинают процесс ударной ионизации и порождают новые электронные лавины, расположенные далеко впереди фронта пер­вичной лавины.

Отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электро­ны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состо­ит из положительных ионов и его называют стримером. Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия – головки стримера – напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. В результате область близ головки стримера превраща­ется в электропроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Часть электронов рекомбинирует с ионами, по­рождая фотоизлучение, которое вызывает вторично фотоионизацию. Образующиеся фотоэлектроны рождают новые, дочерние электрон­ные лавины, и стример перемещается к катоду, а генерируемые фо­тоэлектроны втягиваются в область, занятую положительными ио­нами, превращая ее в электропроводящую плазму. Стример пере­мещается к катоду со скоростью 10 6 м/с, достигает его, и электропроводящий плаз­менный канал замыкает разрядный промежуток. В результате уда­ров положительных ионов на поверхности катода образуется катод­ное пятно, излучающее электроны, которые со скоростью 10 7 м/с распространяются по электропроводящему плазменному каналу к аноду. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как ис­кра (искровой разряд). Пробивным напряжением газа является на­пряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощ­ность источника напряжения достаточна для поддержания испаре­ния металла катода и мощного дугового разряда, то между элект­родами загорается электрическая дуга (дуговой разряд).

Скорости распространения электронных лавин к аноду, стриме­ра к катоду и электронов с катодного пятна к аноду большие, по­этому пробой газа в однородном поле развивается весьма быстро. Например, пробой промежутка 1 см при нормальных атмосферных условиях завершается за 10 -8 -10 -7 с. При кратковременном воздействии напряжения разряд в газе может не оформиться и пробивное напряжение повышается. Такое увеличение характеризуют коэффициентом импульса ng w:val="-2"/><w:sz w:val="30"/><w:sz-cs w:val="30"/></w:rPr><m:t>50</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>»> , где – пробивное напряжение при энном импульсе; – пробивное напряжение при постоянном и временном напряжении с частотой 50 Гц. Коэффициент импульса зависит от формы импульса и однородности электрического поля в разрядном промежутке. При пробое промежутков с резко неодно­родным полем может достигать значения 1,5.

Для пробоя газа в однородном поле характерны зависимости электрической прочности от плотности газа и расстояния между электродами. Плотность газа прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Пробой газа в неоднородном поле отличается от пробоя в одно­родном. Неоднородное поле образуется между острием и плоско­стью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхно­стями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. В тех местах между электродами, где напряженность имеет повышенное значение, начинается ударная ионизация уже при напряжениях, меньших характерного для данного промежутка пробивного напряжения. В результате возникает и локализуется в ограниченной зоне разряд в виде короны. Такую форму разряда называют неполным пробоем газа. Ионизированная плазма является проводником и. следовательно, продолжением электрода, около которого возникает корона. Из-за этого форма электрода изменяется так, что электри­ческое поле около него выравнивается. Максимальная напряжен­ность электрического поля становится равной напряженности, ми­нимально необходимой для ударной ионизации. Поэтому корона не распространяется на весь разрядный промежуток. При повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточ­ной мощности источника – в дуговой.

Пробой жидких диэлектриков. Природа пробоя жидких диэлект­риков во многом зависит от их чистоты.

Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электро­нов в жидкий диэлектрик с катода и образования электронных ла­вин. В ходе распространения лавин возникают стримероподобные образования, которые в результате процессов фотоионизации пере­мещаются от анода к катоду со скоростью 10 5 м/с. Пробой заверша­ется, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости существенно больше плотности газа; следовательно, длина свободного пробега электро­нов, производящих ионизацию, здесь меньше. Поэтому энергию, достаточную для ионизации, элект­рон приобретает при напряжен­ности в 100 раз большей, чем в га­зах. В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микро­объемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увели­чивается, включения сливаются, образуя между электродами мо­стик, по которому проходит разряд в газе. Газы имеют малый ко­эффициент теплопроводности. Следовательно, слой газа на электро­дах образует участок с большим тепловым сопротивлением. В ре­зультате температура близ границы раздела жидкость – газ по­вышается, что приводит к вскипанию жидкости, а далее и к ее про­бою. В процессе пробоя жидкости с большим содержанием газа (га­зовые включения), которые первоначально имеют сферическую фор­му, в электрическом поле деформируются. При деформации они превращаются в эллипсоиды вращения, удлиняются и сливаются образуя сплошной газовый канал между электродами, что приводит к пробою.

Механизм пробоя увлажненных жидкостей зависит от содержа­ния и состояния воды в них. Вода, содержащаяся в жидком ди­электрике в свободном виде, может быть в эмульсионном состоянии, когда образуются сферические капельки воды с диаметром 10 -6 м. В электрическом поле водяные включения втягиваются в простран­ство между электродами и деформируются. При деформации обра­зуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются и притягива­ются друг к другу и, сливаясь, замыкают электроды мостиками с ма­лым электрическим сопротивлением, по которым проходит разряд. Этим процессом объясняется уменьшение Е _пртрансформаторного масла при его увлажнении. При температурах, близких к 0°С, содержащаяся в масле вода нахо­дится в эмульсионном состоянии и Е _пр имеет минимальное значение. С увеличением температуры вода переходит в растворенное состоя­ние, т. е. отдельную ее фракцию и свободное состояние исчезает. В состоянии раствора примесь воды в меньшей степени снижает Е _пр трансформаторного масла. При температурах, больших 70°С в трансформаторном масле начинается процесс кипения легких его фракций и количество газов увеличивается, что снижает Е _пр. Увеличение Е _пр при понижении температуры до 40°С вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию и замерзает. Электрическая прочность сухого масла имеет большее значение, чем увлажнен­ного, и практически не изменяется до температуры 70 °С.

В загрязненной твердыми частицами жидкости частички загряз­нений – волоконца, сажа, продукты разрушения твердой изоля­ции в электрическом поле – поляризуются, втягиваются в меж­электродное пространство и, так же как эмульсионная вода, обра­зуют между электродами сплошные цепочки с пониженным элект­рическим сопротивлением. По этим цепочкам и проходит разряд.

В жидкихдиэлектриках, содержащих воздушные включения, протекают и процессы химического разложения жидкости под дей­ствием ионизации. Такое явление называется вольтализацей жидко­сти. В качестве электроизоляционных широко используются жид­кости, состоящие из непредельных углеводородов. В ходе вольтализации таких жидкостей увеличиваются молекулярная масса и вяз­кость, выделяется водород, т.е. растет объем газовой фазы.

Про­цесс ионизации газа во включе­ниях протекает в электрических полях намного меньших Е _пр жидкости, поэтому такой вид про­боя откосят к электрохимичес­кому. Эти процессы обусловливают электрическое старение жидких диэлектриков. Время подготовки пробоя в ходе вольтализации достигает 10 5 с и более.

Пробой твердых диэлектриков. Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика и условий опреде­ления электрической прочности. При испытаниях на импульсах с длительностью 10 -8 -10 -5 с в условиях, когда отсутствуют раз­ряды у краев электродов, имеет место электрический пробой образца. Если проводимость такого диэлектрика велика и резко за­висит от температуры, то при выдержке этого же образца под на­пряжением в течение 10 -3 -10 -2 с в нем развивается тепловой про­бой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, однако такими, при которых в диэлект­рике происходят частичные разряды в газовых включениях или другие процессы, обусловливающие электрическое старение, на­блюдается электрохимический пробой.

Для электрического пробоя твердых диэлектриков характерны­ми являются следующие признаки. В сильных электрических полях в зависимости от тока, протекающего через диэлектрик, от напряжен­ности электрического поля отсутствует участок насыщения, харак­терный для газов и чистых жидкостей (см. рис. 7.2). При увеличе­нии напряженности ток перед пробоем растет экспоненциально. Для самых различных по свойствам диэлектриков Е _пр изменяется в до­вольно узких пределах: 10 7 -10 8 В/м. Величина Е _пр не зависит от свойств среды, окружающей образец. Электрическая прочность мо­нокристаллических диэлектриков различается при пробое вдоль различных осей монокристалла. Величина Е _пр не зависит от време­ни выдержки образца под напряжением и его толщины. Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электронов и завершается в течение 10 -8 -10 -7 с. Поэтому при меньших временах выдержки пробой не успевает за­вершиться и Е _пррастет. Пробой тонких (толщиной 10 -8 -10 -5 м) диэлектрических пленок обусловлен формированием многих элек­тронных лавин и поэтому требует более длительного времени – 10 -6 -10 -5 с. В таких образцах Е _прувеличивается уже при выдержках под напряжением, меньших 10 -6 -10 -5 с. Для того чтобы в таких пленках образующиеся при пробое электронные лавины приобрели достаточную для пробоя мощность, необходимо уве­личить напряженность электрического поля. Поэтому Е _прпри толщинах образца, меньших 10 -7 -10 -6 м, увеличивается и может достигать значений 10 10 В/м. При электрическом пробое Е _прне зависит от температуры, что соответствует участку А на рис. 7.22 (кривая 1). Однако в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, возможна термическая ионизация ловушек, а следовательно, увеличение концентрации электро­нов и уменьшение Е_пр (участок Б). Электрическая прочность ион­ных кристаллов при импульсных напряжениях с ростом температу­ры может и несколько увеличиваться (рис. 7.22, кривая 2).Это вы­звано торможением электронов в зоне проводимости при их взаимо­действии с ионами узлов кристаллической решетки. При электриче­ском пробое в однородном поле Е _пр больше, чем в неоднородном.

Величина Е_пр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попа­дает в объем между электродами. Такое уменьшение Е_пр характерно для бумаг, картонов и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным элект­рическим сопротивлением, для пори­стых керамик, где возможна иониза­ция газа в порах.

Для электротеплового пробоя ха­рактерно следующее: электрическая прочность Е_пр снижается при длительной выдержке под напряжением диэлектрик нагревается за счет диэлектрических потерь больше; при увеличении толщины уменьшается теплоотвод от образца в окружающую сре­ду. На постоянном напряжении диэлектрические потери вызываются электропроводностью и определяются электрическим сопротивле­нием образца и ростом теплоты. Для плоского конденсатора потери рассчитывают по формуле ). На переменном напряжении потери можно рассчитать по формуле:

.

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности, суммарная пло­щадь которой равна 2S. Отводимая мощность рассчитывается по фор­муле , где σ_Т — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду. Вт/(м · К); Т – температура диэлектрика. Если Р >Р_отв, то под действием при­ложенного напряжения температура диэлектрика увеличивается, что с течением времени приводит к его тепловому разрушению – проплавлению, прожогу, другим подобным явлениям. Пробивное напряжение рассчитывают из условия, что Р= Р_отв. С ростом тем­пературы Т₀ уменьшаются ρ₀ и Р_отв растет tgδ, а поэтому Е_пр уменьшается.

Механизмы электрохимического пробоя различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

Основной причиной электрического старения полимеров явля­ются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном нанапряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают различные процессы, которые приводят к разрушению ди­электрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов – трубочек, заполненных образующимся в результате разложения полимера. Дендриты в ходе роста ветвятся и с течением времени пронизывают всю толщу диэлектри­ка, замыкая электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпок­сидных смол. Если изоляция работает в условиях повышенной влажности, то могут развиваться и водные дендриты. В слоистой изоляции на основе полимерных пленок под действием частичных разрядов происходит разрушение поверхности пленки. В результа­те уменьшения толщины уменьшается ее пробивное напряжение. Старение неорганических диэлектриков протекает более интен­сивно на постоянном напряжении.

Скорость процесса электрического старения возрастает при уве­личении напряженности электрического поля. Время τ_ж развития электрохимических процессов элек­трического старения при посто­янной температуре органических и неорганических диэлектриков можно рассчитать по эмпиричес­кой формуле , где А – постоянная, зависящая от условий старения; т — показатель, оп­ределяемый экспериментально и изменяющийся в широких преде­лах: 3—14. Время жизни уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону , где W – энергия активации процесса старения, Дж; R — постоянная Больцмана, Дж/К; Т- температура, К.

Изменение электрической прочности при облучении. Электри­ческая прочность при электрической форме пробоя не изменяется, если в материале под действием ионизирующих излучений не про­изошли необратимые физико-химические процессы деструкции ма­териала.

Ионизирующие излучения большой мощности вызывают нагрев вещества и уменьшают его теплопроводность, что снижает Е_пр при тепловом пробое диэлектрика. При облучении в диэлектрике мо­гут наблюдаться газовыделение и ионизация газа в порах. Эти про­цессы ускоряют разрушение и снижают электрическую прочность диэлектрика, как и частичные разряды, возникающие в диэлектри­ке в электрическом поле.

Глубина необратимых превращений в структуре и сопутствую­щее им снижение электрической прочности электроизоляционных материалов зависят от поглощенной дозы ионизирующих излуче­ний. Электрическая прочность деструктирующихся при облучении полимеров уменьшается при такой поглощенной дозе, когда резко ухудшаются их механические свойства. В полимерах, которые при облучении сшиваются, Е_пр уменьшается при такой поглощенной до­зе, где образец разрушается в результате нарастания хрупкости.

Поверхностный пробой. В электроизоля­ционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изо­ляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагопри­ятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона.

Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределе­ния потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности воз­никают мощные искры, под действием которых в материале могут об­разовываться проводящие каналы – треки.

Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов,

называется трекингом диэлектрика. Способность диэлект­рика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга характеризуется трекингостойкостью. Трекингостойкость опре­деляется повремени t _тр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них U _тр, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного зна­чения I _тр

Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает по­верхность неорганических диэлектриков. Однако при мощном дуго­вом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев даже фарфоровых изоляторов, а поверхность органических диэлектри­ков обугливается и на ней образуется сплошной проводящий след.

Способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств называют дугостойкостью. Дугостойкость диэлектрика на перемен­ном напряжении частоты 50 Гц определяется током дуги I _д и вре­менем t _д. При определении t _д близ поверхности плоского образца ди­электрика размещают два электрода, к которым приложено напря­жение 1000 В, и горит дуга, ток которой равен I_д. Возникающая дуга воздействует на поверхность диэлектрика, в результате чего через время t_д на поверхности образуется токопроводящая перемычка.

При разработке многих электроизоляционных изделий их поверхность конструируется такой, чтобы предотвратить при загрязнении и увлажнении образование поверхностных искровых разрядов и короны. Например, поверхность изоляторов выполняется ребристой, что удлиняет путь поверхностного разряда, а следовательно. повышает его напряжение. Ребра изолятора образуют также и уча­стки на его поверхности, защищенные от смачивания во время дождя.

Напряжение поверхностного перекрытия диэлектрика в газе может быть увеличено, если повысить давление.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: