Файл: РМ текст лекций.doc

3.4. Электрическая прочность диэлектриков

3.4.1 Пробивное напряжение и электрическая прочность

Минимальное напряжение Unp, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того замыкает канал или нет оба электрода пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность, образуя так называемый трекинг, науглероженный след на органических диэлектриках. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому больше единицы и называется коэффициентом импульса. Зависимость пробивного напряжения от 'времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Снижение Unp от времени происходит из-за электрического старения изоляции — необратимых процессов под действием тепла и электрического поля. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле Enp=Unp/h, где Епр, В/м, U—пробивное напряжение, В, h— толщина диэлектрика, м. Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в В/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами такое: 10 В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

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

3.4.2 Электротепловой пробой

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло –Q₁становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Unp от влияния различных факторов. Пусть

Q₁=U²ωCtgδ. (3.4.1)

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то tgδ=tgδ_oexp[α(T-To)], где а и tgδ_oзависят от природы диэлектрика,Т—температура окружающей среды (электродов), Т₀—температура диэлектрика. Количество отводимого тепла определяется равенством

Q₂=2σS(T-To), (3.4.2)

где σ— суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду, S — площадь электрода.

рис. 3.4.1

Из графического представления зависимости Q₁и Q₂от температуры (рис. 3.4.1) видно, что при U₁и T₁будет устойчивое тепловое равновесие Q₁=Q_2,

при U₂, Т₂и U₁/T₂— состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой.

Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2–10^-3с.

Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача, Епр при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Unp с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

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

3.4.3. Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов определяется двумя механизмами — лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (рис. 3.4.3) характерна зависимость Епр от давления.

рис. 3.4.3

Давление 0,1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению. Епр при больших давлениях растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации;

возрастание Епр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа. Епр воздуха в однородном поле растет, как показано на рис. 3.4.2 с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

рис. 3.4.2

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например для воздуха при h=1см от 30кВ до 9кВ. В неоднородном поле влияет также полярность электродов. Так для электродов с малым радиусом кривизны Unp при положительной полярности оказывается меньше, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

3.4.4. Пробой жидких диэлектриков

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

В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующим значением (тепловой характер пробоя), в очищенных -амплитудным (электрическая форма пробоя). Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких так и газообразных сказывается на низких частотах. Увеличение электрической прочности трансформаторного масла происходит при фильтрации и сушке (при частоте 50 Гц-втрое, на частоте 10³ Гц-только на 30%).

Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температуры имеется максимум при температурах 30-80°С, высота которого уменьшается с ростом частоты (в пределах 0,4-12 МГц). Кривая тангенса угла диэлектрических потерь при температуре максимума проходит через минимум.

Увеличение давления от 60 до 800 мм. рт. ст. увеличивает пробивное напряжение на 200-300%.

Добавка к жидкости частиц вещества с диэлектрической проницаемостью большей, чем у жидкости, приводит к росту тока в несколько раз.

3.4.5. Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации — так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика. Электромеханический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

3.5. Механические, термические и физико-химические свойства диэлектриков

Ограничимся перечислением важнейших неэлектрических параметров диэлектрических материалов.

Механические свойства при статической нагрузке — разрушающие напряжения при растяжении, сжатии, изгибе, определяемые стандартными методами; твердость, удельная ударная вязкость, гибкость, модуль Юнга.

Термические свойства диэлектриков — теплопроводность, теплоемкость, температура плавления, температура размягчения, термическое расширение; вязкость, температура вспышки паров, нагревостойкость, холодостойкость, стойкость к термоударам.

Физико-химические свойства диэлектриков - химостойкость, влагостойкость, водостойкость и водопоглощение, тропикостойкость, радиационная стойкость, атмосферостойкость, кислотность.

В целом ряде случаев при применении диэлектрических материалов их механические, термические, физико-химические свойства играют определяющее значение. Однако, ввиду ограниченного объема учебного пособия отсылаем читателя для проработки перечисленных выше параметров к дополнительной литературе [1,2,3].

3.6. Газообразные диэлектрики

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются: высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь; малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы — азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха. В таблице 3.5.1 приведены отношения электрической прочности некоторых газов, включая и высокопрочные, Епр г к электрической прочности воздуха, которая принята за единицу. В этой же таблице даны точки кипения газов при нормальном давлении.

Таблица 3.5.1