Пробой жидких диэлектриков
Раздел 9. Классификация электротехнических материалов (ЭТМ). История применения ЭТМ. Физика диэлектриков.
Лекция №22
- Общая характеристика явление пробоя диэлектриков.
Пробой газов
Пробой жидких диэлектриков
Пробой твердых диэлектриков
Общая характеристика явление пробоя
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика.
Eпр = Uпр/h , где Eпр – электрическая прочность диэлектрика, Uпр - пробивное напряжение, h – толщина диэлектрика.
Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.
Электрический пробой (электронный пробой), протекающий за 10-8 — 10-5 с, обусловлен ударной ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами. Электрическая прочность при электрическом пробое воздушных промежутков при нормальных условиях составляет 3∙106 В/м, тщательно очищенных жидкостей достигает 108 В/м, твердых диэлектриков (монокристаллов) -109 В/м.
Электротепловой пробой (тепловой пробой) обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь в местах наихудшего теплоотвода образца (изделия). Такой пробой развивается за 10-3 — 102 с, Eпр здесь достигает 107 В/м.
Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под воздействием электрического поля и (или) разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 103 — 108 с и называется временем жизни диэлектрика tж. С увеличением температуры и напряженности электрического поля тж, как правило, уменьшается. Такой пробой развивается в полях, значительно меньших, чем Епр диэлектрика. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды (ЧР).
Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы диэлектрика и условий определения Епр или эксплуатации. При испытаниях на импульсах длительностью 10-8 — 10-5 с в условиях отсутствия разрядов у краев электродов происходит электрический пробой. Если sтакого 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, при которых в диэлектрике происходят ЧР или другие процессы, обусловливающие старение, наблюдается электрохимический пробой.
Значения напряжений пробоя и Е определяют согласно ГОСТ 6433.3-71
Механические свойства характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимого изменения первоначальных размеров и формы. Параметры, характеризующие механические свойства, как правило, определяются по стандартным методикам.
Пробой газов
Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций: в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи – служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с Епр большинства жидких и твердых диэлектриков.
Положительные и отрицательные ионы и электроны, находящиеся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при изложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в накправлении поля или в противоположном в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию
W = q Ul, где q– заряд, Ul - падение напряжения на длине свободного пробега l. Если поле достаточно однородно, то можно принять Ul - El, где E – напряженность поля. Отсюда W = Eql .
Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, в которвми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов и молекул, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже ионизация молекул, т.е. их расщепление на электроны и положительные ионы.
При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и l постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Eп называется начальной напряженностью.
Присоединение, "прилипание" электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону.
Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции.
В некоторых случаях электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденое состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Электропроводящий канал называют стримером, а фотонная ионизация создает в разрялном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.
Рост электропроооводящего канала – стримера – происходит быстрее,чем продвижение электронной лавины.
Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы:
1. обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны,
2. вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщенное электронами пространство заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газообразную плазму.
Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного 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 воздуха (рис. ).
Это явление можно обьяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т.е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа.
При больших давлениях, повышенной плотности газа для получения пробоя необходимо увеличение напряженности поля.
При высоком вакууме пробой можно обьяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). Электрическая прочносить велика.
Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличаются от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающим диаметр сферы и т.д.
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.
Между электродами игла-плоскость при положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Это обьясняется тем, что поляризация газа при любой полярности на электродах происходит около иглы, т.е. там, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется "облако" из положительно заряженных ионов – молекул.Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем при противоположной полярности электродов.
Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным разрядом (перекрытием), возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На разрядное напряжение влияют форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота поля, состояние поверхности диэлектрика, давление воздха.
Пробой жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.
Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих ыеществ.
Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Под влиянием электрического поля сферические капельки воды – сильно дипольной жидкости – поляризуются, приобретают форму эллипсойдов и, притягиваясь между собой равномерными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и проходит электрический пробой.
Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подьем Епр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульси в состояние молекулярного раствора.