Физико химические свойства диэлектриков кратко

Обновлено: 04.07.2024

Изоляционные материалы характеризуются следующими механическими характеристиками: прочностью на разрыв, сжатием и изгибом, хрупкостью и твердостью, удельной ударной вязкостью и эластичностью. Поскольку упомянутые понятия известны из курса механики и сопротивления материалов, а также учитывая, что настоящее пособие предназначено для инженеров-электриков по эксплуатации электроустановок, а не для инженеров по электроизоляционным материалам, описание механических характеристик не приводится, кроме одной — хрупкости, которая характеризует специфические свойства изоляции.
Хрупкость. Некоторые материалы прочны при статических нагрузках, но легко разрушаются при внезапных динамических усилиях.

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы используются в условиях повышенной влажности воздуха, и вода может попадать на них, если электрооборудование не имеет герметичного корпуса, например, такого, как у конденсатора.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

где m – масса водяного пара в единице объема, г/м 3 ; mнас – масса водяного пара в единице объема при насыщении, г/м 3 .

За нормальную влажность воздуха в нашей стране принята относительная влажность φ = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 о С содержание водяных паров m = 11,25 г/см 3 .

Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела

(рис. 7.) Чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых поверхностей угол θ о , для несмачиваемых – θ > 90 о .


Рис. 7. Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

и на несмачиваемой поверхности (б)

При наличии в диэлектрике объёмной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь диэлектрика. Если сухой диэлектрик поместить во влажный воздух, то он начинает поглощать влагу из воздуха. Причём влажность материала ψ будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности ψр, соответствующей данному значению влажности воздуха φ. У бумаги при относительной влажности воздуха φ = 65 % равновесная влажность ψр = 8 %.

Наиболее чувствительным параметром влаги у диэлектриков является тангенс диэлектрических потерь tgδ, он заметно возрастает с увлажнением материала, изменяется и удельное сопротивление ρ.

Влагопроницаемость – это способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок поверхности S слоя изоляционного материала толщиной h под действием разности давлений водяных паров p1 и p2 с двух сторон слоя, находим по следующему выражению:

m = П·(p1 – p2)·S·τ/h,

где П – влагопроницаемость данного материала. В системе СИ она измеряется в секундах.

Тепловые свойства диэлектриков. К ним относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость – это способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Срок службы изоляции τ связан с абсолютной температурой Т следующей зависимостью (рис. 8): lnτ = AT -1 + B, где А и В – величины постоянные для данного материала и данных условий старения изоляции.


Рис. 8. Срок службы изоляции в зависимости от температуры

ГОСТ 8865–70 предусматривает в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) разделение электроизоляционных материалов на классы нагревостойкости (Y, A, E, B, F, H, C).

Холодостойкость – это способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (например, от –60 до –70 о С) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жёсткими, что создаёт затруднения для работы изоляции.

Теплопроводность – это один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящего к выравниванию температуры материала. Теплопроводность материалов характеризуют коэффициентом теплопроводности γт, входящим в уравнение Фурье:

где ΔРт – мощность теплового потока, проходящего сквозь площадку ΔS, нормальную к потоку; – градиент температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (), измеряемым в К -1 :

Материалы, обладающие малыми значениями , имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.




Механические свойства диэлектриков. Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности sв и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала,

т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца Fo (σ = P/Fo). Значения пределов прочности в системе СИ выражают в паскалях (1 Па ≈ 10 -5 кгс/см 2 ).

У твёрдых диэлектриков обычно определяют пределы прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи). Для ряда диэлектриков (стёкол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка, то возникает только упругая деформация и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . Если увеличить нагрузку, то после ее снятия, возникает остаточная деформация Δ= –, где – длина образца перед снятием нагрузки. В качестве показателя пластичности обычно приводят относительное остаточное удлинение материала, которое измеряется в процентах:

2.2. Проводниковые материалы

Физико-химические и механические свойства диэлектриков

Для диэлектриков наиболее важны следующие свойства:

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы используются в условиях повышенной влажности воздуха, и вода может попадать на них, если электрооборудование не имеет герметичного корпуса, например, такого, как у конденсатора.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

где m – масса водяного пара в единице объема, г/м 3 ; mнас – масса водяного пара в единице объема при насыщении, г/м 3 .

За нормальную влажность воздуха в нашей стране принята относительная влажность φ = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 о С содержание водяных паров m = 11,25 г/см 3 .

Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела

(рис. 7.) Чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых поверхностей угол θ о , для несмачиваемых – θ > 90 о .


Рис. 7. Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

и на несмачиваемой поверхности (б)

При наличии в диэлектрике объёмной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь диэлектрика. Если сухой диэлектрик поместить во влажный воздух, то он начинает поглощать влагу из воздуха. Причём влажность материала ψ будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности ψр, соответствующей данному значению влажности воздуха φ. У бумаги при относительной влажности воздуха φ = 65 % равновесная влажность ψр = 8 %.

Наиболее чувствительным параметром влаги у диэлектриков является тангенс диэлектрических потерь tgδ, он заметно возрастает с увлажнением материала, изменяется и удельное сопротивление ρ.

Влагопроницаемость – это способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок поверхности S слоя изоляционного материала толщиной h под действием разности давлений водяных паров p1 и p2 с двух сторон слоя, находим по следующему выражению:

m = П·(p1 – p2)·S·τ/h,

где П – влагопроницаемость данного материала. В системе СИ она измеряется в секундах.

Тепловые свойства диэлектриков. К ним относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость – это способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Срок службы изоляции τ связан с абсолютной температурой Т следующей зависимостью (рис. 8): lnτ = AT -1 + B, где А и В – величины постоянные для данного материала и данных условий старения изоляции.


Рис. 8. Срок службы изоляции в зависимости от температуры

ГОСТ 8865–70 предусматривает в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) разделение электроизоляционных материалов на классы нагревостойкости (Y, A, E, B, F, H, C).

Холодостойкость – это способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (например, от –60 до –70 о С) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жёсткими, что создаёт затруднения для работы изоляции.

Теплопроводность – это один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящего к выравниванию температуры материала. Теплопроводность материалов характеризуют коэффициентом теплопроводности γт, входящим в уравнение Фурье:

где ΔРт – мощность теплового потока, проходящего сквозь площадку ΔS, нормальную к потоку; – градиент температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (), измеряемым в К -1 :

Материалы, обладающие малыми значениями , имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Механические свойства диэлектриков. Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности sв и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала,

т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца Fo (σ = P/Fo). Значения пределов прочности в системе СИ выражают в паскалях (1 Па ≈ 10 -5 кгс/см 2 ).

У твёрдых диэлектриков обычно определяют пределы прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи). Для ряда диэлектриков (стёкол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка, то возникает только упругая деформация и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . Если увеличить нагрузку, то после ее снятия, возникает остаточная деформация Δ= –, где – длина образца перед снятием нагрузки. В качестве показателя пластичности обычно приводят относительное остаточное удлинение материала, которое измеряется в процентах:

Это свойство важно для подбора растворителей лаков, пластификаторов и пр., а также для оценки стойкости электроизоляционных материалов к действию различных жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются в процессе изготовления изоляции (например, при пропитке лаками) и в эксплуатации (например, изоляция маслонаполненных трансформаторов и т.п.).

Растворимость твердых материалов можно оценить по количеству материала, переходящему в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем; или по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворителе (т.е. по концентрации насыщенного раствора).

Как правило, легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов. Полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Неполярные или слабо полярные углеводороды (например, парафин, каучук) растворяются в жидких углеводородах; полярные смолы, содержащие гидроксильные группы (например, фенолформальдегидные смолы), – в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (молекулярной массы). Высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – трудно. При повышении температуры растворимость сильно увеличивается.

Химостойкость

Стойкость к коррозии различными химически активными веществами (газами, водой, кислотами, щелочными и солевыми растворами и т.п.) электроизоляционных материалов весьма разнообразна. При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к эксплуатационным (или еще более суровые) по концентрации химической активности среды, температуры (при повышении температуры интенсивность коррозии сильно увеличивается) и т.д., после чего определяют изменение внешнего вида образцов, их массы и других характеристик.

Для масел, смол и т.п. измеряют кислотное число, характеризующее содержание в материале свободных кислот. Эта величина определяет технологические особенности материала, а также способность материала вызывать коррозию соприкасающихся с ним тел, например металлов. В трансформаторном масле высокое кислотное число является признаком плохой очистки при изготовлении или процесса старения масла.

Кислотное число – количество граммов едкого кали (КОН), которое требуется для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 кг испытуемого материала (пример обозначения: 0,4 г КОН/кг, или 0,4 мг КОН/г).

Радиационная стойкость

Непрерывно расширяется номенклатура материалов, а также готовых изделий электронной и электротехнической промышленности, к которым предъявляются определенные требования радиационной стойкости, т.е.


способности работать, не теряя основных свойств, в условиях интенсивного облучения или после радиационного воздействия. Не менее важным является радиационное воздействие на материалы с целью полезного изменения структуры, улучшения или придания им новых свойств (радиационная сшивка полимеров, легирование полупроводников и т.д.).

Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-), электроны высоких энергий, тяжелые заряженные частицы (протоны, альфа-частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая различного рода радиационные дефекты. Количество дефектов, а, следовательно, и радиационные эффекты, со временем накапливаются. Поэтому радиационная стойкость определяется суммарной (интегральной) дозой излучения, поглощенного веществом.

Единицами поглощенной дозы рентгеновского и гамма-излучения служат рентген (Р) и Кл/кг (1 Р = 2,58·10 -4 Кл/кг), а корпускулярных излучений – рад и Дж/кг (1рад = 0,01Дж/кг). Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади вещества и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик, например нейтрон/м 2 .

Полупроводниковые материалы и приборы заметно повреждаются реакторным излучением дозой в 10 18 нейтрон/м 2 . Многие диэлектрики обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдерживая дозы до 10 22 нейтрон/м 2 .

Светостойкость

Световые и особенно ультрафиолетовые лучи могут оказывать определенное действие на диэлектрики и полупроводники, вызывая фотопроводимость, различные химические изменения и ускоряя старение органических материалов (нефтяного масла, резины, капрона). Под действием светового облучения некоторые материалы теряют механическую прочность и эластичность, в результате чего в них появляются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек и т.д.

Способность материалов сохранять свои эксплуатационные характеристики под действием светового облучения называют светостойкостью.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Электротехническая аппаратура может работать в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для ее изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические свойства, а правильный выбор их обеспечивает надежность и долговечность работы диэлектриков.

Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибро прочность.

Простейшие виды статические механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.

Значения пределов прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи) в системе СИ выражаются в паскалях (Н/м 2 ).

Ударную вязкость (σуд) материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м 2 .

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций. Такая проверка проводится на вибростендах.

К основным тепловым характеристикам относятся температура вспышки паров, температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, морозостойкость, нагревостойкость, температурные коэффициенты.

Температура вспышки - это такая температура, при которой смесь паров жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает от приближения небольшого открытого пламени, от искры и т. д. Она определяется с помощью прибора ПВНО (прибор вспышки - нагрева огневой) или ПВНЭ (прибор вспышки - нагрев электрический).

Если для кристаллических материалов основным тепловым параметром является температура плавления, то для аморфных веществ аналогичной характеристикой является температура размягчения. При размягчении происходит снижение механической прочности и постепенная деформация изделий. Одним из весьма распространенных параметров, характеризующих способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, является теплостойкость по Мартенсу.

Морозостойкость определяет способность материала противостоять действию низких температур.

Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких изменений температуры называется нагревостойкостью. Материалы, употребляемые для изоляции электрических машин и аппаратов, по величине длительно допустимой рабочей температуры подразделяются на семь классов нагревостойкости, которые следует изучить.

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К -1 .

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Следует изучить следующие физико-химические характеристики диэлектриков: вязкость жидких диэлектриков, кислотное число, химическую стойкость, влагостойкость, радиационную стойкость, тропическую стойкость.

Вязкость является важным параметром жидких диэлектриков. Она измеряется вискозиметром. Сущность определения сводится к тому, что из сосуда через калиброванное отверстие в его дне выпускается определенный объем испытуемого материала и точно измеряется время истечения.

^ Кислотное число характеризует содержание в материале свободных кислот, которые вызывают коррозию соприкасающихся с ним металлов. Его величина определяется количеством едкого кали КОН, требующимся для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала.

При работе материалов в химически активных, агрессивных средах разрешающее воздействие на разные материалы может быть сильным. Для работы в таких условиях, в зависимости от их природа, материалы должны обладать определенной химической стойкостью, которая определяется аналогично влагостойкости по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров.

Для испытания на тропикостойкость материалы и изделия из них выдерживают при температуре 40-50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков.

Радиационной стойкостью называется способность электроизоляционного материала без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств выдержать воздействие радиационных излучений.

Газообразные диэлектрики.


В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.




Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.

Дихлордифторметан CCl2F2, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.

Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.

Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.

Жидкие диэлектрики.

Жидкие диэлектрики это:

жидкости с низкой электропроводностью (10 –10 Ом –1 ·см –1 ). Используются в электротехнике как изоляционные материалы, наибольшее применение имеют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т. д.).

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят химостойкость, влагостойкость и водостойкость изоляции, стойкость материалов к воз­действию излучений высоких энергий, кислотное число и вязкость жидких материалов.

Химостойкость – стойкость к разрушению при контакте с газами, водой, маслами, кислотами, щелочами и д.р.

Влагостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при наличии влаги в окружающей среде.

Водостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства в процессе выдержки его в воде – атмосферные осадки, изоляция деталей в насосах, на кораблях.

Светостойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием светового облучения – изменение структуры материала, ухудшение механический свойств, ускорение старения.

Радиационная стойкость - способность материала сохранять эксплуатационные свойства под действием ионизирующего излучения.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содер­жащихся в 1 г жидкого диэлектрика.

Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость ди­электрика, так как кислоты под действием электрического поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более ак­тивно разрушать другие материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.

При заливке полостей и пропитке изоляционными компаундами, использовании смол и лаков важно бывает знать их вязкость.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее текучесть. Чем больше вязкость, тем жидкость более густая, т. е. обладает плохой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче запол­няются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемую изоляцию.

Тема 8. Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное, приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением Uпр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика и характеризуется электрической прочностью. Электрической прочностью называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика. Т.е электрическая прочность характеризует способность материала противостоять электрическому пробою.

Электрическая прочность измеряется в Вольт/метрах и кратных единицах кВ/мм, МВ/см и т.д.

Различают следующие виды пробоя:

- электрический - диэлектрик разрушается в следствии ударной ионизации электронами;

- тепловой – разогрев материала до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и т.п. - возникает, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет потерь, превышает количество рассеиваемой энергии в данных условиях;

- электрохимический (электрохимическое старение) – обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика под длительным действием электрического поля и окружающей среды, приводящими к понижению его электрической прочности;

- поверхностный – пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой под­вижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. В противопо­ложность этому пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции.

Газообразные диэлектрики

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух.

Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы.

Как диэлектрики воздух имеет следующие положительные свойства:

- быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя;

- отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени;

- малые диэлектрические потери.

Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:

- невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с твёрдыми диэлектриками;

- невысокая электрическая прочность;

- образовывать окислы и поддерживать горение;

Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней имеются свободные заряженные частицы - электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа - атомы и молекулы – нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой

Пробой газа в однородном и неоднородном полях имеет некоторые отличия. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Пробой газа в однородном поле

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10 -5 см. При нормальных условиях, т.е. при давлении 0.1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии между электродами 6 мм - 70 МВ/м.

Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.

Читайте также: