9

Пробой диэлектриков

Общая характеристика явления коллапса. Диэлектрик, находящийся в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется напряжением пробоя Uпр, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика Епр.

Основные виды поломок следующие:

– электрический пробой;

— термический пробой;

Читайте также: Уровнемеры начание принцип устройства доставки

– электрохимическая деградация (электрическое старение).

Электрический пробой вызывается ударной ионизацией электронов, происходящей в сильном электрическом поле и приводящей к резкому увеличению плотности электрического тока.

Термический пробой вызывается прогрессивно увеличивающимся тепловыделением в диэлектрике под влиянием диэлектрических потерь или электропроводности и приводит к термическому разрушению диэлектрика.

Электрохимический пробой вызывается медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, развивающимися под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике, приводящих к необратимому снижению сопротивления изоляции и пробою при силах, значительно меньших диэлектрическая прочность. Этот процесс также называют электрическим старением диэлектрика.

Разложение газа. В газах происходит только электрический пробой. Из-за радиоактивного и космического излучения в воздушном зазоре всегда присутствует небольшое количество заряженных частиц. Электроны в электрическом поле ускоряются электрическим полем и получают дополнительную энергию:

W = г Е λ,

где g — заряд электрона, E — напряженность поля, λ — длина свободного пробега электрона до следующего столкновения.

Если интенсивность достаточна (т.е. E ≥ Epr), то возникает быстрорастущий электронный ток, что приводит к пробою промежутка.

Сила разложения (Epr) газа зависит от многих факторов. Одним из наиболее важных факторов является тип поля. На рис.6 приведены зависимости напряжений пробоя от расстояния между электродами для трех классических промежутков.

Электрическая прочность газа также зависит от плотности газа, которая зависит от давления и температуры.

расстояния между ними: 1 – плоскость опрокидывания; 2 — точка-точка;

3 — шар-шар

Разложение жидких диэлектрических веществ. Теория пробоя жидких диэлектриков разработана не так хорошо, как для газов. В жидких диэлектриках механизм пробоя и напряжение пробоя зависят от чистоты диэлектрика.

Различают три степени чистоты:

1) диэлектрик содержит эмульсионную воду и твердые механические примеси;

2) технически чистые, диэлектрические вещества практически не содержат эмульсионной воды и механических примесей;

3) особо тщательно очищенные, т.е полностью очищенные от воды и механических примесей, а также хорошо дегазированные.

В особо тщательно очищенных жидких диэлектриках возникает только электрическая форма пробоя. Плотность жидкости значительно больше плотности газа, поэтому длина свободного пробега электронов (λ) в них значительно меньше, а значит, и пробойная прочность значительно выше.

В электроэнергетике обычно применяют технически чистые жидкие диэлектрики, в которых возможны примеси в небольших количествах. Диэлектрическую прочность жидкого диэлектрика особенно сильно снижает эмульсионная вода, которая присутствует в нем даже в небольшом количестве. Разложение влажных жидкостей происходит следующим образом. Капли эмульсионной воды в электрическом поле поляризуются, втягиваются в пространство между электродами, деформируются и сливаются, образуя перемычки с малым электрическим сопротивлением, через которые и происходит разряд. Образование мостиков приводит к значительному снижению прочности масла.

Разложение твердого диэлектрика. В твердых диэлектриках возможны все виды пробоя. Каждый из этих видов пробоя может иметь место для одного и того же диэлектрика в зависимости от характера электрического поля (постоянное или переменное, импульсное, низкочастотное или высокочастотное), а также наличия примесей и дефектов в диэлектрике.

Чисто электрический пробой возникает, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, вызывающих разогрев материала, и отсутствует ионизация газовых включений. Электрический пробой протекает очень быстро, за время менее 10-7-10-8 секунд, и по своей природе является чисто электронным процессом, т е происходит ионизация атомов электронами и образование лавин. Для твердых диэлектрических веществ длина свободного пробега электронов меньше, чем для жидких, и поэтому для достижения требуемой энергии ионизации необходимо увеличивать напряженность поля (W = g·E·λ ≥ΔW.

Тепловой пробой происходит, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепловой энергии, которое может быть рассеяно в данных условиях. В этом случае нарушается тепловое равновесие, и процесс принимает лавинный характер и заканчивается обугливанием, плавлением, прожогом и т д

Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей диэлектрической прочности. Одним из вариантов электрохимической деградации является ионизационная деградация.

Некоторые твердые диэлектрические и изоляционные системы имеют известную пористость. Допустим, после заливки масла в бумажно-масляной изоляции остались пузырьки газа (воздуха). Распределение напряжения между масляной изоляцией Em и пузырьками воздуха E неравномерно:

напряжение на воздушном пузыре примерно в 2,2 раза больше, чем на масле, а натяжение воздуха значительно меньше

(Епр(воздух) ≈ 30 кВ/см, Епр(м) ≈ 200 кВ/см). Это приводит к тому, что воздушный зазор прорывается несколько раз на каждой полуволне промышленной частоты. При каждом пробое происходит обугливание бумаги и разложение масла с увеличением воздушного пузыря.

Этот процесс называется частичным разрядом. Частичный разряд присутствует во многих видах изоляции, при каждом пробое происходит небольшое снижение прочности изоляции, но со временем происходит накопление повреждений изоляции и снижение ее прочности — старение изоляции.

В дальнейшем пробой изоляции может произойти при подключении перенапряжений (при подключении или отключении электроустановок) или даже при номинальном напряжении.

Сделать ламинированную изоляцию без частичного разряда практически невозможно. Поэтому в слоистой изоляции допускается такой уровень частичных разрядов, который обеспечит достаточно длительный срок службы (τ) изоляции (срок службы диэлектрика) до 20 лет.

Особенности процесса

Если напряженность электрического поля превышает предел электрической прочности, происходит пробой диэлектрика. Это процесс его разрушения. Это приводит к потере, а не разрушению таким материалом его первоначальных электроизоляционных свойств.

Напряжение пробоя – это значение, при котором происходит пробой диэлектрика.

Электрическая прочность характеризуется величиной напряженности поля.

Пробой твердого диэлектрика представляет собой электрический или термический процесс. В его основе лежат явления, приводящие к обвальному увеличению величины электрического тока в твердых изоляционных материалах.

Пробой твердого диэлектрика имеет характерные особенности:

• отсутствие или слабая зависимость величины проводимости от температуры и напряжения;
• электрическая прочность материала в однородном поле независимо от толщины используемого диэлектрического материала;
• узкие пределы механической прочности;
• во-первых, ток растет экспоненциально, а пробой твердого диэлектрика сопровождается скачком тока;
• в неоднородном поле этот процесс происходит в месте максимальной напряженности поля.

Классификация

По агрегатному состоянию все электроизоляционные материалы делятся на жидкие, газообразные, твердые. Наиболее многочисленной является последняя группа диэлектрических веществ. К ним относятся пластмассы, керамика, высокополимерные материалы.

В зависимости от химического состава электроизоляционные материалы делятся на неорганические и органические.

Углерод является наиболее важным химическим элементом в органических изоляторах. Максимальную температуру выдерживают неорганические материалы: керамика, слюда.

В зависимости от способа получения диэлектрических веществ их принято делить на синтетические и природные (природные). Каждый тип имеет определенные функции. В настоящее время существует большая группа синтетических веществ.

Твердые диэлектрические материалы далее подразделяются на отдельные подкатегории в зависимости от структуры материалов, состава и технологических свойств. Например, есть восковые, керамические, минеральные, пленочные изоляторы.

Все эти материалы характеризуются электропроводностью. Со временем такие вещества показывают изменение значения тока из-за снижения тока поглощения. С определенного момента в электроизоляционном материале существует только ток проводимости, от которого зависят свойства этого материала.

Особенности электроизоляционных материалов

Рассмотренные виды пробоя твердого диэлектрика нашли свое применение в современной электротехнике.

Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторные и конденсаторные масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.

Минеральные масла получают путем фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим свойствам.

Например, кабельные и конденсаторные масла проходят глубокую очистку и поэтому обладают отличными диэлектрическими свойствами. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первого проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила. Эта прозрачная вязкая жидкость токсична, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при работе с таким диэлектриком необходимо соблюдать осторожность.

Совтол представляет собой смесь трихлорбензола и совола, поэтому этот электроизоляционный материал характеризуется более низким значением вязкости.

Обе синтетические жидкости используются для пропитки современных бумажных конденсаторов, устанавливаемых в промышленных установках переменного и постоянного тока.

Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Янтарь, натуральный каучук, обладает высокими диэлектрическими свойствами.

Воскообразные материалы, такие как церезин и парафин, имеют различную температуру плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическую структуру.

В современной электротехнике востребованы пластмассы, представляющие собой композиционные материалы. В их состав входят полимеры, смолы, красители, стабилизаторы и смягчающие компоненты. В зависимости от отношения к нагреву их делят на термопластичные и упрочняемые материалы.

Для работы на воздухе используется электрокартон, имеющий более плотную структуру по сравнению с обычным материалом.

Среди слоистых электроизоляционных материалов с диэлектрическими свойствами выделяют текстолит, гетинакс, стекловолокно. Эти ламинаты, в которых силиконовые или резольные смолы выступают в качестве связующего вещества, являются отличными диэлектриками.

Тепловой пробой

Он появляется при больших диэлектрических потерях, нагреве материала другими источниками тепла, при отводе некачественной тепловой энергии. Такой пробой диэлектрика сопровождается увеличением электрического тока в результате резкого уменьшения сопротивления в области ослабления теплопроводности. Аналогичный процесс наблюдается до тех пор, пока на ослабленном участке не произойдет полное термическое разрушение диэлектрика. Например, произойдет плавление исходного твердого электроизоляционного материала.

В газообразной среде

Как происходит пробой газообразного диэлектрика? Из-за космического и радиоактивного излучения в воздушных промежутках находится небольшое количество заряженных частиц. Происходит ускорение отрицательных электронов в поле, в результате чего они получают дополнительную энергию, величина которой напрямую зависит от напряженности поля и средней длины пробега частицы до столкновения. При значительном значении интенсивности наблюдается увеличение потока электронов, что вызывает пробой промежутка. На этот процесс влияет несколько факторов. Наиболее важным из них является полевой вариант. Существует прямая зависимость между электрической прочностью газа и давлением и температурой.

Жидкая среда

Пробой жидкого диэлектрика связан с чистотой электроизоляционного материала. Есть три степени:

• содержание твердых механических примесей и эмульсионной воды в диэлектрике;
• технически чистый;
• тщательно очищают и дегазируют.

В тщательно очищенных жидких диэлектриках существует только электрический вариант пробоя. Из-за значительной разницы в плотностях жидкости и газа длина пробега электронов уменьшается, что приводит к увеличению пробойной прочности.

В современной электроэнергетике используются технически чистые виды жидких диэлектриков, допускается лишь незначительное присутствие в них примесей.

Необходимо учитывать, что даже минимальное количество эмульсионной воды, присутствующей в жидком электроизоляционном материале, вызывает сильное снижение электрической прочности.

Таким образом, диэлектрическая прочность и пробой диэлектрика являются связанными величинами. Рассмотрим механизм разложения в жидкой среде. Капли эмульсионной воды поляризуются в электрическом поле, после чего попадают в пространство между полярными электродами. Здесь они деформируются, соединяются между собой и образуются перемычки, обладающие малым электрическим сопротивлением. Именно на них и происходит испытание. Появление перемычек вызывает значительное снижение прочности масла.

Признаки

Пробой диэлектрика имеет характерные особенности:

• происходит в месте с плохим отводом тепла в окружающую среду;
• напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры окружающей среды;
• электрическая прочность обратно пропорциональна толщине диэлектрического слоя.

Общая характеристика

Охарактеризуем основные виды пробоя диэлектрика. Суть процесса заключается в потере электроизоляционным материалом своих свойств при превышении критического значения напряженности электрического поля. Существует несколько видов этого процесса:

• электрический пробой диэлектрика;
• термический процесс;
• электрохимическое старение.

Электрическая разновидность возникает в результате ударной ионизации отрицательных электронов, возникающих в сильном электрическом поле. Этот процесс сопровождается резким увеличением плотности тока.

причиной теплового процесса в изоляторе является увеличение количества выделяемого системой тепла за счет влияния электропроводности или в результате диэлектрических потерь. Результатом такой поломки является термическое разрушение электроизоляционного материала.

При изменении напряжения пробоя диэлектрика происходят преобразования в структуре электроизоляционного материала, а также изменяется химический состав диэлектрика. В результате наблюдается необратимое снижение сопротивления изоляции. При этом происходит электрическое старение диэлектрика.