Почему определение электрической прочности стандартизовано

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Определение электрической прочности производят при плавном подъеме напряжения таким образом, чтобы пробой происходил в диапазоне от 10 до 20 с после начала подъема напряжения. Для испытания применяют металлические нажимные электроды из нержавеющей стали, цветных неблагородных металлов.  [4]

Определение электрической прочности производится по величине пробивного напряжения и толщине диэлектрика между электродами, дающими более или менее однородное электрическое поле. В большинстве случаев при испытании листовых образцов применяют плоские электроды с закругленными краями, которые обладают краевым эффектом, в силу чего создаваемое ими поле, строго говоря, не является однородным. Для определения электрической прочности при частоте 50 гц пользуются испытательными пробивными трансформаторными установками. На рис. 2 — 47 показана принципиальная схема пробивной установки.  [6]

Определение электрической прочности проводится стандартизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.  [7]

Определение электрической прочности производится по величине пробивного напряжения и толщине диэлектрика между электродами, дающими более или менее однородное электрическое поле.  [9]

Определение электрической прочности производится по ГОСТ 6581 — 53 со следующим дополнением.  [10]

Определение электрической прочности Е пластмасс по ГОСТ 6433 — 65 при переменном напряжении промышленной частоты ( 50 гц) производится следующим образом. К образцу при помощи стандартных электродов прикладывается напряжение, возрастающее плавно со скоростью 1 кв / сек или ступенями: 50 % пробивного напряжения в течение первой минуты и затем по 10 % от пробивного напряжения на каждую последующую ступень до пробоя.  [11]

Определение электрической прочности бумаги в зависимости от числа слоев.  [12]

Определение электрической прочности бумаги при напряжении частотой 50 гц производилось с помощью плоских электродов в виде двух дисков, один из которых спрессован маслостойкой резиной, для исключения краевого эффекта ( по конструкции проф.  [13]

Для определения электрической прочности равномерно по ширине бумажного полотна вырезают 5 образцов размером 150X150 мм от каждой пробы.  [14]

Для определения электрической прочности должны применяться электроды диаметром 50 мм.  [15]

Контрольные вопросы

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

2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?

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

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

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.

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

4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?

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

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

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

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

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

Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

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

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей

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

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

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

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

Почему диэлектрики теряют электрическую прочность?

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Используемые на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность, способность диэлектрика пропускать постоянный электрический ток. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому весьма мал и ток. Следовательно, для диэлектрика характерным является весьма большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (оказывать большое сопротивление прохождению электрического тока и способность поляризоваться).

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. Электрическая изоляция является неотъемлемой мастью электрической цепи и прежде всего нужна для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.

Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называются пассивными диэлектриками. В настоящее время широко применяются так называемые активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов. Например, конденсатор, диэлектрическим материалом в котором служит пьезоэлектрик, под действием приложенного переменного напряжения изменяет свои линейные размеры и становится генератором ультрозвуковых колебаний. Емкость электрического конденсатора, выполненного из нелинейного диэлектрика — сегнетоэлектрика, изменяется в зависимости от напряженности электрического поля; если такая емкость включена в колебательный LC-контур, то изменяется и его частота настройки.

Техника, технология и эксплуатация электротехнического и радиоэлектронного оборудования предъявляют самые разнообразные требования к свойствам диэлектрических материалов. Помимо нужных электрических свойств диэлектрические материалы должны обладать еще механическими, термическими и многими другими физико-механическими свойствами.

Практически используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Поэтому диэлектрики на постоянном напряжении пропускают весьма малый ток. Этот ток называют сквозным током утечки.

Удельная проводимость и удельное сопротивление. На рис. 1 схематически изображен участок твердой изоляции с расстоянием между электродами 1 и 2h (м) и сечением S = h·l(м 2 ), по которому протекает сквозной ток утечки I_из (А). Ток I_из складывается из объемного тока утечки I_v, протекающего через объем, и поверхностного тока утечки /», протекающего по поверхности изоляции от электрода 1 к 2. Если к электродам приложено напряжение U (В), то проводимость G_из (см) такого участка изоляции равна

Величина, обратная G_из называется сопротивлением изоляции:

Для твердых диэлектриков ток I_v определяет величину объемной G_V, а ток I_S — поверхностной G_s проводимости изоляции, а соответственно объемное R_V и поверхностное R_S сопротивления.

Рис. 1. Объемный I_v и поверхностный I_S, токи утечки через участок изоляции

Электропроводность диэлектрика характеризуют параметрами: удельной объемной у_V и поверхностной у_s проводимостью или удельным объемным р_v и поверхностным p_s сопротивлением. Если объемное сопротивление изоляции (рис. 1) равно R_v, то р» = R_vS/h.

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

Это явление называют пробоем диэлектрика.

Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя — электрической прочностью.

На рис. 2 показана типичная зависимость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного напряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U_пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление.

Рис. 2. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика

В зависимости от свойств изоляции и мощности источника электрической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплавленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому образцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то пробой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем U_пр первого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_пр, так как атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процессе пробоя частицы. Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то

где Е_пр — электрическая прочность, В/м;

U_пр — пробивное напряжение, В;

h — расстояние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в киловольтах, толщину диэлектрика — в миллиметрах, а электрическую прочность — в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедливы следующие соотношения:

10 6 В/м = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

При определении Е_ар твердого диэлектрика может произойти пробой по поверхности — перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой (рис. 3).

Рис. 3. Схема пробоя (1) и перекрытия (2) образца твердого диэлектрика

В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твердого диэлектрика. Напряжение поверхностного перекрытия зависит от свойств твердого диэлектрика, формы образца, электродов и закономерности пробоя окружающей среды.

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

Образцы для определения Е_пр твердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения поверхностного пробоя можно проводить определение Е_пр на образцах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансформаторном масле. На рис. 4 приведены формы и размеры ряда образцов для определения Е_пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U_Dp, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 4, б) и цилиндрического (рис. 4, д) образцов.

В качестве электродов могут использоваться массивные металлические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей стали, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и трансформаторном масле фольговые, напыленные в вакууме металлические, графитовые и другие электроды. Для получения в месте пробоя однородного поля диаметр D₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D верхнего электрода (рис. 4, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диаметрами (рис. 4, в). Однородное поле в тонких пленочных образцах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 4, г). Для определения E_nv жидких диэлектриков используют специальные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специальных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни.

Рис. 4. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов

Измерение U_np образцов диэлектриков производится на испытательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 5.

Установка для измерения U_пр при частоте 50 Гц (рис. 5, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения напряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансформатора плавно или ступенями изменяется с помощью автотрансформатора А Т. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3 к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защитный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора Т. Напряжение на образце измеряется вольтметром V, который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной установки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток короткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких диэлектриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмотке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансформатора и резисторе R опасно для жизни. Поэтому трансформатор Т, резистор R и испытательное поле, на котором расположены образец 1, электроды 2, 3, размещают в защитной камере ЗК.

Рис. 5. Принципиальная схема измерения пробивного напряжения на частоте 50 Гц (а) и на постоянном напряжении (б)

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

Для измерения U_np на постоянном токе (рис. 5, б) в цепь высокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденсатор Сф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополуперйодной схеме выпрямления.

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

Электрическая прочность диэлектриков

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физическая природа пробоя диэлектриков. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.

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

Механизмы электрохимического пробоя различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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