Понятие пробоя диэлектриков электрический пробой газообразных диэлектриков реферат

Обновлено: 04.07.2024

Мы рассмотрели различные физические явления, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля не слишком высокой напряженности, когда диэлектрик остается практически непроводящей средой. Однако силы электрического поля при соответствующем увеличении напряженности могут привести к нарушению такого состояния. В результате диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости, но не весь образец, на который подано напряжение, а только узкий канал, направленный от одного электрода к другому.

Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, неполным, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов, и частичным, если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности (в газе или в жидкости), называемый поверхностным пробоем.

Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением ( ).

Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика (или электрической изоляции), линейная при обычных напряжениях (U), отклоняется от линейной с приближением U к U_np (рис. 9.13). В момент пробоя ток через диэлектрик резко возрастает, так что . В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает, несмотря на рост тока.

Рис. 9.13. Вольт-амперная характеристика электрической изоляции

Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности.

Значение U_np диэлектрика непосредственно связанно со временем приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.

Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости U_np от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Пробивное напряжение (U_np) растет с увеличением толщины диэлектрика h.

Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле вводят понятие напряженности электрического поля, при которой происходит пробой:

Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью. Электрическая прочность (Е_пр) является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Пробой газов

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см 3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в сильном поле. При увеличении напряженности электрического поля электроны между двумя соударениями приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенном значении напряженности поля. Эта напряженность поля (Е) называется начальной напряженностью.

В некоторых газах (например в кислороде, углекислом газе, парах воды) отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических, значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным перекрытием, возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На значение разрядного напряжения оказывает влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота напряжения, состояние поверхности диэлектрика, давления воздуха.

Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях. Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты. Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде с меньшей длиной свободного пробега (λ), накопил энергию, достаточную для ионизации.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей.

Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т.е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате, пробой жидкости происходит в неоднородном поле, что, в свою очередь, приводит к снижению электрической прочности жидкости.

Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем (нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т.д.). Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический и ионизационный.

Электрический пробой – это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность (Е_пр) твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах – 100 – 1000 МВ/м, что близко к Е_пр сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Значение Е_пр обусловлено главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин). Этот вид пробоя характерен для макроскопически однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Пробой этого вида протекает за время не более 10 -7 …10 -8 с и не обусловлен тепловой энергией. Значение электрической прочности при электрическом пробое, в некоторой степени зависит от температуры и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электротепловой (тепловой) пробой – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Значение пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала, а именно его электрической прочности.

Электрохимический пробой обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т.п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей мере при переменном напряжении.

Ионизационный пробой – это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажной изоляции). При больших напряженностях поля в воздушных порах происходит ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все эти процессы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Е_пр.

Как указывалось, в твердых диэлектриках помимо объемного возможен и поверхностный пробой, т.е. пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции. Так как Е_пр жидкостей и особенно газов ниже Е_пр твердых диэлектриков, а нормальная составляющая напряженности электрического поля непрерывна на границе раздела, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой, в первую очередь, будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. Чтобы не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика. Поверхностное U_пр повышают также путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.

Пробой макроскопически неоднородных диэлектриков

Большинству диэлектриков, применяющихся на практике, присущи неоднородности различных видов. Так, например, керамические диэлектрики состоят из нескольких фаз (кристаллической и стекловидной), обладающих разными электрическими свойствами, и имеют большее или меньшее количество пор (воздушных включений). Прессованные и намоточные изделия имеют слоистое строение, их чередующиеся слои также обладают неодинаковыми диэлектрическими свойствами.

Для повышения электрической прочности пористых диэлектриков их пропитывают, заполняя поры жидким или твердеющим электроизоляционным материалом с высокой электрической прочностью. Так, для непропитанной кабельной бумаги Е_пр = 3…5МВ/м, а для пропитанной компаундом Е_пр = 40…80 МВ/м.

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

Диэлектрик конденсатора, как правило, подвергается воздействию сильного электрического поля. Его действие особенно существенно в высоковольтных конденсаторах, однако и для низковольтных конденсаторов напряженность поля достаточно высока, так как, чтобы повысить удельную емкость конденсатора, толщину диэлектрика выбирают малой. Для того чтобы исключить возможность пробоя или старения диэлектрика в этих условиях, надо хорошо знать закономерности и механизмы указанных явлений.

Содержимое работы - 1 файл

Пробой газообразных диэлектриков.doc

Пробой газообразных диэлектриков

Закономерности пробоя газообразных диэлектриков важно знать для оценки рабочих напряжений высоковольтных конденсаторов – газонаполненных или имеющих газовые включения в диэлектрике. Пробой газа при нормальном или повышенном давлении представляет собой искровой разряд, характеризующийся распространением в разрядном промежутке ярко светящихся каналов пробоя малого диаметра. Экспериментальные исследования показывают, что при пробое сравнительно небольших газовых промежутков сначала образуются электронные лавины, распространяющиеся обычно от катода к аноду со скоростью . Эти лавины обусловлены процессом ударной ионизации молекул газа электронами. Как только лавина достигает анода, от него к катоду с гораздо большей скоростью распространяется так называемый стример, сопровождающийся ионизацией газа и состоящий из многочисленных, соединяющихся между собой лавин. Лавины появляются в объеме газа в результате фотоионизации одной из молекул фотонами, излучаемыми возбужденными молекулами, или в результате процессов рекомбинации электронов и ионов. Таким образом, стример образуется за счет двух основных процессов – фотоионизации и ударной ионизации.

Пробивное напряжение газа зависит от произведения давления на расстояние между электродами (закон Пашена) и почти одинаково как для пробоя между металлическими электродами, так и между диэлектрическими поверхностями в газовых прослойках изоляции. Зависимость изображается кривой с минимумом (рис. 1.1). Объяснение закона Пашена и формы кривых возможно на основе простейшей теории пробоя газа – теории Таунсенда. Согласно теории Таунсенда разряд в газе наступает в том случае, если в объеме газа происходит интенсивная ударная ионизация электронами, а образующиеся при этом положительные ионы, бомбардируя катод, обеспечивают поступление в объем газа вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации электронов, уходящих после ионизации на анод. Исходя из этой модели процесса, получают условие пробоя Таунсенда:

где – коэффициент ударной ионизации Таунсенда; – коэффициент ионно-электронной эмиссии из катода.

В соответствии с правилами теории подобия, и представляют собой однозначные функции отношения , т.е.

Подставляя эти функции в условие пробоя Таунсенда и принимая во внимание, что , получаем выражение:

из которого вытекает, что является однозначной функцией произведения .

Рис. 1.1. Кривые Пашена для воздуха, кислорода и водорода

Снижение с уменьшением происходит до тех пор, пока длина пробега электрона между актами ионизации , остается значительно меньше расстояния между электродами . Как только становится сравнимым с , достаточное для развития электронных лавин количество актов ионизации можно обеспечить лишь за счет существенного увеличения напряженности поля , чем и объясняется рост с уменьшением при малых значениях или . В однородном поле для воздуха минимальное пробивное напряжение на кривой Пашена ( ). Следует, однако, отметить, что при атмосферном давлении характер зависимости отличается от данных на рисунке 1.1: вместо возрастания при уменьшении сначала после достижения наблюдается участок, где , затем начинает уменьшаться. Эти особенности связаны с изменением механизма пробоя – вместо газового разряда, связанного с ударной ионизацией, в области происходит, вероятно, пробой, связанный с эмиссией электронов из электрода, как это имеет место в вакууме. Нелинейная зависимость пробивного напряжения от произведения обусловливает нелинейную зависимость при нормальном атмосферном давлении (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Зависимость для воздуха при нормальном атмосферном давлении

В неоднородном электрическом поле существенно снижается. Например, для воздуха при см в неоднородном поле кВ, тогда как в однородном поле кВ. Кроме того, в неоднородном поле наблюдается зависимость пробивного напряжения от полярности электродов. Как правило, при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны оказывается меньше, чем при отрицательной полярности (рис. 1.3). Это связано с образованием положительного объемного заряда вблизи острия в результате развития коронного разряда, что приводит в свою очередь к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Рис. 1.3. Зависимость воздуха от давления в промежутке нить – коаксиальный цилиндр при положительном (кривая 1) и отрицательном (кривая 2) потенциале нити (радиус нити – 1,53 мм, цилиндра – 23 мм)

Однако при малых давлениях и расстояниях между электродами роль объемного заряда невелика и значение может оказаться меньшим при отрицательном потенциале электрода с малым радиусом кривизны. Это обусловлено существенной ролью эмиссии электронов из катода при малых расстояниях между электродами.

Существенное значение для конденсаторов имеет явление перекрытия по поверхности твердого диэлектрика, граничащего с газообразным диэлектриком. Основные закономерности перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе в сравнительно однородном электрическом поле были исследованы с помощью электродов Роговского, между которыми помещались диэлектрические стержни цилиндрической формы с плотно прилегающими к электродам торцами.

При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.

Рис. 1.4. Зависимость от длины цилиндрических образцов диэлектрика, помещенных между электродами Роговского при относительной влажности воздуха 30 % (СВТ – стронций – висмут – титанат)

Газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике: высоковольтные выключатели, газонаполненные конденсаторы, распределительные устройства электростанций. В ряде случаев присутствие газообразных диэлектриков становится неизбежным. В линиях электропередачи высокого напряжения, в электроизоляционных узлах трансформаторов воздух является основной изолирующей средой.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками невелика.

Газообразные диэлектрики имеют следующие свойства (таблица 1).

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоляционными свойствами только при низких напряжениях. Изолирующие свойства газа объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными, незаряженными частицами. Под действием внешних ионизаторов (космические и солнечные лучи, радиоактивные излучения) во всех газах имеется небольшое количество электрически заряженных частиц – электронов и ионов, находящихся в хаотичном тепловом движении, т. е. происходит процесс ионизации газа. Под действием внешнего электрического поля происходят упругие деформации электронных оболочек атомов и смещение их относительно своих ядер. Если молекула газа имеет ионную структуру строения, то происходит также смещение ионов относительно друг друга. В результате происходят электронные и ионные поляризации. Если же газ состоит из дипольных молекул, то происходит и дипольная поляризация. Степень поляризации атомов и молекул газа характеризуется диэлектрической проницаемостью ε. Большинство газообразных диэлектриков, применяемых в электротехнике, неполярные и их диэлектрическая проницаемость ε ≈ 1.

Таблица 1 – Характеристики газообразных диэлектриков

10 18 …10 20 Ом∙м

Ионизация газа приводит к тому, что газ приобретает небольшую электрическую проводимость. Одновременно с ионизацией газа происходит и рекомбинация положительных и отрицательных ионов с образованием нейтральных молекул и атомов. При малой напряженности электрического поля сохраняется баланс между процессом ионизации и рекомбинации.

Вольт-амперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей ток в газе возрастает пропорционально приложенному напряжению и здесь соблюдается закон Ома. На рисунке 5 это соответствует участку ОА. Особенность этого участка заключается в том, что наряду с ионизацией в газе происходит рекомбинация, возникающая вследствие объединения положительных ионов и электронов, совершающих хаотическое непрерывное тепловое движение. В результате рекомбинации образуются нейтральные молекулы газа. Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около 10 -15 См/м.

С дальнейшим ростом напряжения пропорциональность между током и напряжением разрушается. Ток начинает расти медленнее, чем напряжение, и вольт-амперная характеристика начинает загибаться (участок АВ).

Увеличение напряжения приводит к тому, что при достижении некоторого его значения ток проводимости перестает зависеть от напряжения. Наступает насыщение тока, что соответствует горизонтальной части ВС (рисунок 5). На этом участке все заряженные частицы, которые образуются в диэлектрике под действием внешних ионизаторов, уносятся электрическим полем к электродам, не рекомбинируя. Ток, протекающий в диэлектрике, достигает своего насыщения. Ток насыщения зависит от расстояния между электродами в конденсаторе.

Рисунок 5 – Зависимость тока от напряжения, приложенного к объему газа

Кривая ОС на вольт-амперной характеристике соответствует несамостоятельному разряду. Для своего поддержания несамостоятельный разряд требует постоянного образования в разрядном промежутке заряженных частиц под действием внешних факторов. Ионизация газа происходит, в основном, за счет электронов, так как положительные ионы обладают меньшей подвижностью.

При дальнейшем увеличении напряжения скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят их частые соударения с нейтральными частицами газа. В результате электроны отделяются от своих атомов и образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы. Этот процесс называется ударной ионизацией (участок СЕ) и приводит к пробою газа. В процессе ударной ионизации начальные электроны, возникшие в результате действия внешних факторов, участвуют в дальнейшем процессе ионизации, создавая новые электроны.

В результате возникает первичная электронная лавина, которая со скоростью 10 5 м/с перемещается к аноду. На пути следования лавины образуется канал, состоящий из электронов и положительных ионов, плотность зарядов в которой быстро растёт и достигает своего максимума в головке лавины у анода. С увеличением напряжения несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный. Самостоятельный разряд может существовать при отсутствии внешних ионизаторов. Увеличение концентрации ионов и электронов происходит при этом за счёт новых элементарных процессов, связанных с самим разрядом.

В одних видах разряда электронные лавины создают электроны благодаря ударам положительных ионов о катод. В зависимости от давления газа, сопротивления внешней цепи, степени неоднородности электрического поля и ряда других факторов, возможны различные формы разряда.

Пробой в воздухе при наличии в нем однородного электрического поля, при нормальном атмосферном давлении, больших расстояниях между электродами, но маломощном источнике тока происходит в виде искры. При этом виде разряда отдельные электронные лавины 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 перемещается к катоду со скоростью 10 6 м/с. Когда стример достигает катода и электропроводящий плазменный канал замыкает разрядный промежуток, происходит образование главного канала искры. Пробивным напряжением газа является напряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощность источника напряжения достаточна, то искровой разряд может перейти в дуговой.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном поле. Неоднородное поле образуется между остриём и плоскостью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними больше радиуса сферы.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле происходит при меньшем напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Вначале наступает неполное электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом, т. к. у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При повышении напряжения возникает разряд в виде короны. При дальнейшем повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточной мощности источника – в дуговой.

В однородном электрическом поле при T = const пробой газообразного диэлектрика выражается следующей формулой:

U_пр= Aph, (2)

где U_пр – пробивное напряжение слоя газа, В;

А – коэффициент;

р – давление газа;

h – расстояние между электродами, м.

На рисунке 6 показаны зависимости пробивного напряжения различных газов от произведения давления на расстояние между электродами.

Электрическая прочность газа зависит от природы и строения молекулы газа. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от плотности газа, т. е. от давления при t = const. Поэтому для расчета пробивного напряжения воздуха применяется следующая формула:

где U_пр – пробивное напряжение при данной температуре и давлении;

U_про – пробивное напряжение при нормальных условиях;

δ– относительная плотность воздуха.

1 – воздух; 2 – водород; 3 – неон

Рисунок 6 – Зависимость пробивного напряжения различных газов от произведения давления на расстояния между электродами

Относительная плотность рассчитывается по формуле

δ = 0,386 Р/( t + 273), (4)

где Р – давление, мм рт. Ст;

t – температура, о С.

Из рисунка 6 видно, что пробивное напряжение газа увеличивается с ростом его давления и с увеличением слоя между электродами. При больших давлениях расстояние между отдельными молекулами становится меньше, уменьшается длина свободного пробега электронов и добавочная энергия заряженных частиц, необходимая для ионизации, может быть получена при увеличении напряженности поля. С уменьшением давления и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается до минимума (для воздуха U_пр = 280 В), а затем снова начинает возрастать в области разреженного газа. Это объясняется тем, что в области разреженного газа резко уменьшается количество атомов и молекул, являющихся объектами ионизации, а значит, процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях.

В неоднородном поле пробой газа зависит от полярности электродов (рисунок 7). При положительно заряженном острие и отрицательно заряженной плоскости пробивное напряжение будет меньше, чем при отрицательно заряженном острие. Расстояние между электродами в обоих случаях остается неизменным.

Рисунок 7 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния для электродов острие-плоскость при различной полярности электродов

Такая зависимость объясняется тем, что около острия накапливаются положительно заряженные ионы и распространяются в направлении отрицательно заряженной плоскости. В этом случае острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. Для повышения пробивного напряжения газообразного диэлектрика и во избежание возникновения электрической короны острые края электродов необходимо закруглить.

Изменение E_пр воздуха в однородном поле при изменении расстояния h между электродами показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле при нормальных условиях f = 50 Гц, t = 20 о С, р ≈ 0,1 мПа

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности воздуха. Это объясняется тем, что развитие процессов ионизации затрудняется из-за малой общей длины свободного пробега электронов.

Так как процесс пробоя газа происходит очень быстро, то значение электрической прочности (или пробивного напряжения газового промежутка) при переменном напряжении определяется амплитудным значением:

U_{пр м} = (5)

где U_{пр м} – амплитудное значение напряжения, В;

U_пр.р – действующее значение напряжения, В.

На практике случаются случаи пробоя газа на границе с твердым диэлектриком. Рассматриваемый пример можно представить в виде плоского двухслойного конденсатора с разной толщиной слоя и относительной диэлектрической проницаемостью. Так как газы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость и меньшую электрическую прочность, то они оказываются в невыгодном положении. Слои диэлектриков с большей диэлектрической проницаемостью ε стремятся разгрузиться и переложить часть электрического напряжения на слои с меньшей ε. Пробивное напряжение воздуха на границе с твердым диэлектриком будет меньше по сравнению с пробивным напряжением для того же расстояния в газе при отсутствии твердого диэлектрика (рисунок 9).

1 – пробой воздушного промежутка; 2 – парафин; 3 – фарфор; 4 – фарфор, стекло при плохом контакте

Рисунок 9 – Зависимость напряжения перекрытия в воздухе от расстояния для различных материалов в сравнении с пробивным напряжением соответствующего воздушного промежутка. Однородное поле, f = 50 Гц

Так как электрическая прочность воздуха невелика, то для повышения электрической прочности газовой изоляции применяются высокопрочные сжатые газы, например, элегаз (см. таблицу 1).

Кроме высокой электрической прочности элегаз обладает более высокой дугогасящей способностью. Благодаря своим свойствам элегаз используется в выключателях, в высоковольтных кабелях, распределительных устройствах.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.009)

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).

Читайте также: