Что такое пробой диэлектрика

Электрический пробой

Процесс разрушения диэлектрика, наступающий в ходе ударной ионизации электронами вследствие разрыва межатомных, межмолекулярных или межионных связей, называется электрическим пробоем. Продолжительность электрического пробоя по времени лежит в диапазоне от единиц наносекунд до десятков микросекунд.

В зависимости от обстоятельств возникновения, электрический пробой может быть вредным или полезным. Пример полезного электрического пробоя — разряд на свече зажигания в рабочей зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Пример вредного пробоя — пробой изолятора на ЛЭП.

В момент электрического пробоя, когда приложено напряжение выше критического (выше напряжения пробоя), в твердом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) ток резко возрастает. Данное явление может длиться в течение крохотного промежутка времени (наносекунды) или установиться на длительное время, подобно тому, как начинает и продолжает гореть дуга в газе.

Напряженность электрического пробоя Епр (электрическая прочность) того или иного диэлектрика зависит от внутренней структуры диэлектрика, и почти не зависит ни от температуры, ни от размеров образца, ни от частоты приложенного напряжения. Так, у воздуха электрическая прочность в нормальных условиях составляет около 30кВ/мм, у твердых диэлектриков данный параметр лежит в диапазоне от 100 до 1000 кВ/мм, тогда как у жидких он окажется всего порядка 100 кВ/мм.

Чем менее плотно располагаются структурные элементы (молекулы, ионы, макромолекулы и так далее), тем ниже становится напряженность пробоя рассматриваемого диэлектрика, ибо длина свободного пробега электронов становится больше, то есть электроны приобретают достаточную энергию для ионизации атомов или молекул даже при меньшей напряженности приложенных электрических полей.

Неоднородность образующегося в диэлектрике электрического поля, связанная с неоднородностью внутренней структуры твердого диэлектрика, сильно влияет на электрическую прочность такого диэлектрика. Если в однородное по напряженности электрическое поле внести диэлектрик, структура которого неоднородна, то внутри диэлектрика электрическое поле будет неоднородным.

Микротрещины, поры, посторонние включения, имеющие величину напряженности пробоя меньшую, чем сам диэлектрик, породят неоднородности в картине напряженности электрического поля внутри диэлектрика, а значит локальные участки внутри диэлектрика будут иметь большую напряженность и может наступить пробой при напряжении более низком, чем можно было бы ожидать, будь диэлектрик идеально однородным.

Такие представители пористых диэлектриков, как картон, бумага или лакоткань, отличаются особенно низкими показателями напряжения пробоя, ведь электрическое поле, образуемое внутри их объема, резко неоднородно, а значит напряженность на локальных участках будет выше и пробой случится при более низком напряжении. Так или иначе, в твердых телах электрический пробой может протекать по трем механизмам, о которых скажем далее.

Первый механизм электрического пробоя твердого тела — это тот самый внутренний пробой, который связан с приобретением носителем заряда на длине свободного пробега энергии, достаточной для ионизации молекул газа или кристаллической решетки, что увеличивает концентрацию носителей заряда. Здесь свободные носители заряда образуются лавинообразно, следовательно ток увеличивается.

Пробой, протекающий в диэлектрике по данному механизму может быть объемным или поверхностным. Для полупроводников поверхностный пробой может быть сопряжен с так называемым шнуровым эффектом.

Когда кристаллическая решетка полупроводника или диэлектрика разогревается, то может иметь место второй механизм электрического пробоя — тепловой пробой. С ростом температуры свободным носителям заряда становится легче ионизировать атомы решетки, по этой причине пробивное напряжение снижается. И не так важно, произошел ли разогрев от действия на диэлектрик переменного электрического поля или же просто от теплопередачи извне.

Третий механизм электрического пробоя твердого тела — разрядный пробой, причиной которого становится ионизация адсорбированных в пористом материале газов. Примером такого материала являются слюда. Газы, запертые в порах вещества, ионизируются в первую очередь, наступают разряды в газе, которые и приводят затем к разрушению поверхности пор основного вещества.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления

Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.

С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность. Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 10 6 до 10 7 В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 10 6 В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, – чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 10 7 В/см.

Электрический пробой вакуума

В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие – проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток.

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия, формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 10 8 А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии.

Суть заключается в том, что электроны в воздухе при обычных условиях отличаются небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Среди электронов в воздухе встречаются быстрые электроны – с энергиями от 0,3 до 1 МэВ, которые движутся со скоростями близкими к скорости света. Такие быстрые электроны отличаются от «обычных» электронов в 100 раз большей средней длиной свободного пробега.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).

Пробой диэлектриков

ЛЕКЦИЯ №6

Общая характеристика явления пробоя. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрикаEпр.

Основные виды пробоя следующие:

– электрохимический пробой (электрическое старение).

Электрический пробой вызывается ударной ионизацией электронами, возникающей в сильном электрическом поле и приводящей к резкому возрастанию плотности электрического тока.

Тепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности и приводящим к термическому разрушению диэлектрика.

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике, приводя к необратимому уменьшению сопротивления изоляции и пробою её при напряжённостях значительно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика. Этот процесс также называется электрическим старениемдиэлектрика.

Пробой газа. В газах возникает только электрический пробой. В воздушном промежутке вследствие радиоактивного и космического излучения всегда присутствует небольшое количество заряженных частиц. Электроны в электрическом поле разгоняются электрическим полем и приобретают дополнительную энергию:

где g – заряд электрона, Е – напряженность поля, λ – средняя длина свободного пробега электрона до очередного соударения.

Если напряженность достаточна (то есть Е ≥ Епр), то возникает быстро нарастающий поток электронов, приводящий к пробою промежутка.

Пробивная напряжённость (Епр) газа зависит от многих факторов. Одним из важнейших факторов является вид поля. На рис.6. приведены зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами для трёх классических промежутков.

Электрическая прочность газа зависит также от плотности газа, которая является функцией давления и температуры.

Рис. 6. Зависимость электрической прочности газа от формы электродов и

расстояния между ними: 1– остриё-плоскость; 2 – остриё-остриё;

Пробой жидких диэлектриков. Теория пробоя жидких диэлектриков не так хорошо разработана, как для газов. В жидких диэлектриках механизм пробоя и пробивное напряжение зависят от чистоты диэлектрика.

Различают три степени чистоты:

1) диэлектрики содержат эмульсионную воду и твёрдые механические загрязнения;

2) технически чистые, диэлектрики практически не содержат эмульсионной воды и механических загрязнений;

3) особо тщательно очищенные, т. е. совершенно не содержат воды и механических загрязнений, а также хорошо дегазированы.

В особо тщательно очищенных жидких диэлектриках возникает только электрическая форма пробоя. Плотность жидкости существенно больше плотности газа, поэтому в них значительно меньше длина свободного пробега электронов (λ), а значит существенно выше пробивная напряжённость.

В электроэнергетике обычно используются технически чистые жидкие диэлектрики, в которых в незначительных количествах возможны примеси. Особенно сильно снижает электрическую прочность жидкого диэлектрика эмульсионная вода, находящаяся в нем даже в небольшом количестве. Пробой увлажнённых жидкостей происходит следующим образом. Капельки эмульсионной воды в электрическом поле поляризуются, втягиваются в пространство между электродами, деформируются и, сливаясь, образуют мостики с малым электрическим сопротивлением, по которым и происходит разряд. Образование мостиков приводит к значительному снижению прочности масла.

Пробой твердых диэлектриков. В твёрдых диэлектриках возможны все виды пробоя. Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же диэлектрика в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), а также от наличия в диэлектрике примесей и дефектов.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Электрический пробой протекает очень быстро за время, меньшее 10 -7 –10 -8 секунд, и по своей природе является чисто электронным процессом, т. е. происходит ударная ионизация атомов электронами и образование лавин. У твёрдых диэлектриков длина свободного пробега электронов меньше, чем у жидких, поэтому для получения необходимой энергии ионизации (W = g·Е·λ ≥ΔW) нужно увеличить напряжённость поля.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счёт диэлектрических потерь, превышает количество тепловой энергии, которая может рассеиваться в данных условиях. При этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер и заканчивается обугливанием, расплавлением, прожогом и т. д.

Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряжённостью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Одна из разновидностей электрохимического пробоя – ионизационный пробой.

Некоторые твёрдые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью. Допустим, в бумажно-масляной изоляции после заливки масла остались газовые (воздушные) пузырьки. Распределение напряжённости между масляной изоляцией Ем и воздушными пузырьками Ев не равномерное:

,

т.е. к воздушному пузырьку прикладывается напряжённость примерно в 2,2 раза больше, чем к маслу, а прочность воздуха много меньше

пр(воз) ≈ 30 кВ/см, Епр) ≈ 200 кВ/см). Это приводит к тому, что воздушный промежуток будет пробиваться несколько раз на каждой полуволне промышленной частоты. При каждом пробое происходит обугливание бумаги и разложение масла с увеличением воздушного пузыря.

Этот процесс получил название – частичный разряд. Частичные разряды присутствуют во многих видах изоляции, при каждом пробое происходит незначительное снижение прочности изоляции, однако со временем идет накопление повреждения изоляции и снижение её прочности – старение изоляции.

В дальнейшем может произойти пробой изоляции при коммутационных перенапряжениях (во время включения или отключения электроустановок) или даже при номинальном напряжении.

Изготовить слоистую изоляцию без частичных разрядов практически невозможно. Поэтому в слоистой изоляции допускается такой уровень частичных разрядов, который бы обеспечивал достаточно большой срок службы (τ) изоляции (время жизни диэлектрика) до 20 лет.

Трансформаторные подстанции высочайшего качества

с нами приходит энергия

develop@websor.ru

Пробой диэлектриков

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.
Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика .
Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле

где d — толщина диэлектрика в месте пробоя, м.
Пробой газообразных диэлектриков см. раздел.
Пробой жидких диэлектриков — явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. На рис. 5-13 показана зависимость изменения электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.
Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) подобно воде понижают электрическую прочность жидких диэлектриков.
Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.
Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 5-14).
Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных характеристик жидких диэлектриков (рис. 5-15 и 5-16).
Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления (рис. 5-17). Зависимость пробивного напряжения от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей, что указывает на большое влияние газообразных примесей.
При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.
Влияние температуры на пробивные характеристики жидких диэлектриков различно в зависимости от их химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загрязнений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко понижается.
Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессам пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий (авторы Н. Н. Семенов и А. Ф. Вальтер, Эдлер и др.) пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.
Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:
1. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до с).
2. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин см).
3. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя.
4. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.
5. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:
1. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.
2. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды (рис. 5-18).
3. Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения (рис. 5-19).
4. Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.
5. Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.
При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика (рис. 5-20).
Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.
Согласно выводам теории теплового пробоя твердых диэлектриков (В. А. Фок, Н. Н. Семенов) можно подсчитать величину пробивного напряжения для простых электроизоляционных конструкций (пластины) по формулам
а) для постоянного напряжения

б) для переменного напряжения

где — функция величины,

— коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; — коэффициент теплопроводности электродов, Дж/(с м °С); — коэффициент теплопроводности диэлектрика Дж/(с м °С); h — половина толщины диэлектрика, м; — толщина электрода, м; а — постоянная, характеризующая рост проводимости диэлектрика с температурой; — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); — тангенс угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); f — частота, Гц.
По известным значениям вычисляют величину с и, воспользовавшись графиком (рис. 5-21), находят .
При неограниченном возрастании с величина стремится к пределу, равному 0,66.

Рис. 5-13. Изменение электрической прочности трансформаторного масла от содержания в нем воды.

Рис. 5-14. Зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от времени воздействия на него электрического поля.

Рис. 5-15. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами.1 — плоскость против шара диаметром 125 мм; 2 — плоскость против острия.

Рис. 5-16. То же, что рис. 5-15, но для постоянного напряжения. Электроды острие — плоскость: 1 — острие отрицательное; 2 — острие положительное.

Рис. 5-17. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления при 50 Гц.1-невакуумированное масло; 2-вакуумированное масло.

Рис. 5-18. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от температуры (при тепловом пробое).

Рис. 5-19. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от длительности приложенного напряжения (при тепловом пробое).

Рис. 5-20. Зависимость пробивного напряжения от температуры для электротехнического фарфора (а — точка перехода к тепловому пробою).

Рис. 5-21. Значения функции. К расчету пробивного напряжения твердого диэлектрика при тепловом пробое (по В. А. Фоку).

Лекция 1.3.6. Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению, – электрической прочностью диэлектрика. Пробой (длительный или кратковременный) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах.

Епр = Uпр / h, (52)

где Епр – электрическая прочность диэлектрика, кВ/м; Uпр – пробивное напряжение, кВ; h – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

На практике часто пользуются значениями пробивного напряжения, выраженными в мегавольтах, киловольтах или вольтах. Тогда электрическая прочность Епр будет выражаться так: 1 МВ/м =1 кВ/мм =10 6 В/м.

Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства, т.е. первоначальное значение пробивного напряжения Uпр, при условии, что длительность и величина электрической дуги не были столь велики, чтобы вызвать необратимые изменения в диэлектрике или в токопроводящих частях аппарата.

В большинстве случаев при возрастании толщины h диэлектрика значение уменьшается, а Uпр растет нелинейно. Для надежной работы диэлектрика в любых установках значение рабочего напряжения Uраб должно быть существенно меньше пробивного Uпр. Отношение Uпр / Uраб называется коэффициентом запаса электрической прочности изоляции. Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой – перекрытие изоляции, т.е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха (перекрытие фарфоровых изоляторов).

По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:

Для твердых диэлектриков явно выражены четыре вида пробоя:

В общем случае чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика; он развивается практически мгновенно. Поэтому, если пробой не произошел сразу после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле длительно. Исключением является напряжение Uпримп к пробивному напряжению длительного воздействия называется коэффициентом импульса Кимп для данной изоляции

Коэффициент импульса зависит от вида материала изоляции, формы и размеров диэлектрика. Для газов Кимп в неоднородном поле больше при прочих равных условиях.

Электротепловой пробой (тепловой) связан с нагревом изоляции в электрическом поле и диэлектрическими потерями. Развитие теплового пробоя идет по следующей схеме: при некоторой разности потенциалов на электродах (например, Uраб) в диэлектрике выделяется тепловые потери, его температура повышается, увеличиваются потери и процесс продолжается до тех пор, пока диэлектрик не оплавиться или произойдет его обугливание (в зависимости от того термопластичный или термореактивный материал) и его собственная электрическая прочность упадет до такой величины, что произойдет пробой диэлектрика. Тепловой пробой, так же как и электрический может быть местным. Если удельная активная проводимость диэлектрика мала и температурный коэффициент Ткe невелик, то при хороших условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении. При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при значительных частотах и так же снижаясь при возрастании температуры.

Электромеханический пробой сопровождается механическим разрушением и образованием микротрещин под действием электрического поля и механического давления электродов.

Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося пробоя, вызванного химическим изменением материала под действием электрического поля. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является необратимым, особенно, в области дефекта.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах в газе, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

Пробой в газах – распространенный пробой, т.к. во многих электрических аппаратах, на линиях электропередач внешней изоляцией служит воздух или какой-нибудь газ. Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в сравнении с жидкости и твердых диэлектриков. Явление пробоя газа зависит от степени однородности поля, в котором осуществляется пробой.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.13

Рисунок 13 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между

электродами в однородном поле.

Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в газе, значениях пробивного напряжения, при прочих равных условиях. Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах. Пробой технических жидкостей может быть связан с газовыми включениями, что вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей к образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также сильно снижает электрическую прочность. Электрическая прочность сухого трансформаторного масла не зависит от температуры, когда начинают испаряться легкие фракции масла, образуя пузырьки газа в жидкости. Требования, предъявляемые к изоляционныммаслам, нормируют все посторонние примеси в масле. У сухого масла Епр = 20 – 25 МВ/м, а у масла, бывшего в эксплуатации, Епр = 4 – 5 МВ/м. Для повторного использования масло подвергают регенерации.

Пробой твердых диэлектриков может быть любой из четырех видов, в зависимости от характера электрического поля, структуры диэлектрика, наличия дефектов, условий его охлаждения и времени воздействия на него напряжения. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков – это чисто электронный пробой, время развития которого около десятка мс, он не обусловлен тепловой энергией. Чисто электрический пробой наблюдается, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь и отсутствует ионизация газовых включений. Такой пробой отмечается у монокристаллов щелочно-галлоидных соединений и у некоторых полимеров. В этом случае Епр = 100 МВ/м и даже больше. Для однородных материалов значения пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрическом поле заметно отличаются друг от друга.

Для случая электрического пробоя неоднородных диэлектриков развитие его тоже достаточно быстрое, но значения для неоднородных диэлектриков (в том числе и с газовыми включениями) в однородном и неоднородном электрическом поле отличаются друг от друга незначительно.

Электрическая прочность при электрическом пробое не зависит от температуры, но после достижения температурой некоторых определенных значений заметно уменьшается: это говорит о наличии теплового пробоя.

Низкая электрическая прочность наблюдается у диэлектриков с открытыми порами (дерева, бумаги, неглазурованной керамики) и мало отличается от газов. Для диэлектриков с закрытыми порами – плотной бумаги, глазурованной керамики – характерна высокая электрическая прочность.

Тепловой пробой отличается от электрического тем, что электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только электротехнического материала, но и изделия из него, тогда как Епр при электрическом пробое, является характеристикой только самого материала.

Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой поля, условиями охлаждения диэлектрика, температурой окружающей среды; оно зависит также от нагревостойкости материала. С повышением температуры электрическая прочность уменьшается.

Для однородных плоских диэлектриков, обладающих потерями, существует приближенный метод расчета пробивного напряжения.

Для расчета Uпр полагаем, что пробой происходит при повышенных температурах и в диэлектрике преобладают потери от сквозной электропроводности. Таким образом, учитывая экспоненциальную зависимость тангенса потерь (tgd) от температуры и используя выражение Ра = U w С-tgd, после преобразований получим

Pа = U 2 f e S tgd e a (t – t 0 ) / (1,8 10 10 h), (54)

где U – приложенное напряжение; f – частота; e. – диэлектрическая проницаемость материала; S – площадь электрода; tgd – тангенс угла потерь диэлектрика при t0 – температуре окружающей среды; a- температурный коэффициент тангенса угла потерь; t – температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; t0 – температура электродов, приблизительно равная температуре окружающей среды; h – толщина диэлектрика.

Теплопроводность материала электродов обычно на два – три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой Ньютона

где s – коэффициент теплопередачи системы диэлектрик – металл электродов.

Напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим – граничный режим, можно принять за напряжение пробоя Uпр. Его значение можно определить по двум условиям:

Решая эти два уравнения относительно Ui с учетом выше обозначенных значений для Ра и Рt, получаем:

U 2 f e tgd S e a (t – t 0 ) / (1,8 10 10 h) = 2 s S (t – t0), (58)

U 2 f e tgd S e a (t – t 0 ) / (1,8 10 10 h) = 2 s S. (59)

Разделив эти два выражения, получим 1 / a = t – t0, тогда, подставив его в последнее выражение и решив его относительно U, получим

U 2 пр = 1,8 10 10 2 s h / (f e tgd a) (60)

Uпр = К ( s h / (f e tgd a) 1/2 , (61)

где К – числовой коэффициент, равный 1,15 10 5 , если все величины выражены в единицах системы СИ.

Отсюда следует, что пробивное напряжение будет выше (изменяется по закону экспоненты), если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше (s больше), частота ниже, а e и tgd меньше. При больших e, tgd и при высоких частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь пробивное напряжение будет ниже.

Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад температуры по толщине диэлектрика (искажение электрического поля и повышение градиента напряжения в поверхностных слоях), а также теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета разработаны академиками Н.Н. Семеновым и ВА. Фоком только для изделий простейшей конфигурации.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий