книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение
..pdf
1. Работа при постоянном напряжении. При воздействии постоянного электрического поля потери в диэлектрике Рд обусловлены выделением тепла Джоуля при прохождении сквозного тока Iскв через диэлектрик (см. подразд. 2.2.1). По прошествии одной минуты после подачи постоянного напряжения на диэлектрик Iут = Iскв, а значит, величина диэлектрических потерь будет определяться качеством изоляционного материала и наличием в нем примесей. С учетом выражения (2.15) мы можем записать:
Рд = U∙U/Rиз= U 2/Rиз. |
(2.20) |
2. Работа при переменном напряжении. При воздействии пе-
ременного электрического поля энергия поля затрачивается не только на выделение тепла Джоуля, но и на медленные виды поляризации (см. подразд. 2.1.1). Для большинства технических диэлектриков верно выражение Iабс >> Iскв, т.е. диэлектрические потери будут определяться преимущественно медленными видами поляризации.
Из рис. 2.12 видно, что ток абсорбции Iабс будет протекать как по емкостным С, так и по активным R элементам цепи. Таким образом, весь набор цепочек R–C мы можем свести к эквивалентным им емкости и активному сопротивлению (рис. 2.17), через которые будет протекать активная Iа и емкостная IС составляющие тока абсорбции.
Эти токи будут отличаться друг от друга не только величиной, но и направлением: в то время как активный ток Iа будет совпадать с направлением приложенного к диэлектрику напряжения U, емкостный ток будет опережать его на угол 90o (рис. 2.18).
Рис. 2.17. Эквивалентная схема |
Рис. 2.18. Векторная диаграмма |
диэлектрика с потерями |
токов в диэлектрике |
31
Угол носит название угла диэлектрических потерь.
Он дополняет до 90о угол фазового сдвига между полным током в емкостной цепи и напряжением.
«Идеальный» диэлектрик не пропускает ток, поэтому активная составляющая абсорбционного тока Ia, соответствующая току проводимости, равна нулю, и вектор тока Iабс через конденсатор определяется только емкостной составляющей IС. В хороших диэлектриках угол сдвига фаз близок к 90о, угол – к нулю.
Для удобства в технике используют не сам угол диэлектри-
ческих потерь , а его тангенс. Из рис. 2.18 |
|
tg = Ia/IС. |
(2.21) |
На основании закона Ома для емкостной составляющей тока |
|
абсорбции можно записать: |
|
IС = U/XC, |
(2.22) |
где XC – сопротивление емкости С (см. рис. 2.17), XC = 1/ C;– круговая частота, = 2πf.
Тогда
IС = U C. |
(2.23) |
Поскольку потери в диэлектрике определяются активной составляющей тока утечки Iут, выражение для определения мощности диэлектрических потерь (2.19) примет вид:
Рд = UIут= UIа= UIС tg . |
(2.24) |
С учетом (2.23) окончательное выражение для мощности диэлектрических потерь при переменном напряжении примет вид:
Рд = U2 C tg . |
(2.25) |
32
2.4. Пробой диэлектриков
Ранее рассматривались физические явления, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля не слишком высокой напряженности. Диэлектрик оставался практически не проводящей средой.
Однако силы электрического поля при соответствующем увеличении напряженности могут привести к нарушению такого состояния и потере диэлектриком своих электроизоляционных свойств. Сопротивление диэлектрика уменьшится настолько, что произойдет короткое замыкание электродов. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его элек-
трической прочности. |
|
|
|
|
|
При этом вольт-амперная ха- |
|
|
|
|
|
рактеристика образца диэлектрика |
I |
|
|
||
|
|||||
(рис. 2.19), линейная при обычных |
|
|
|
|
|
напряжениях U, отклоняется, и закон |
|
|
|
|
|
Ома нарушается в сторону увели- |
|
|
|
|
|
чения электропроводности. В мо- |
|
|
|
|
|
мент пробоя ток через диэлектрик |
|
|
|
U |
|
резко возрастает, так что dI/dU ∞ |
|
|
Uпр |
||
Рис. 2.19. Вольт-амперная |
|||||
(т.е. незначительное увеличение на- |
|||||
характеристика электрической |
|||||
|
|||||
пряжения приводит к значительному |
|
|
изоляции |
||
увеличению тока). Вследствие обра- |
|
|
|
|
|
зования проводящего канала между электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает, несмотря на дальнейший рост тока (пунктирный участок на рис. 2.19).
Значение минимального напряжения Uпр, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности электрического поля
Епр – электрической прочностью диэлектрика. В однородном по-
ле электрическая прочность (кВ/мм) определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика h в месте пробоя:
Eпр = Uпр/h. |
(2.26) |
33
Если пробой произошел в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои первоначальные свойства и величина Uпр остается прежней (но при условии, что мощность и длительность электрической дуги не были столь значительными, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем его объеме).
После пробоя твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого (откуда и название «пробой»), прожженного или проплавленного отверстия, чаще всего, неправильной формы. Если вновь подать напряжение, то пробой, как правило, происходит по пробитому ранее месту при значительно пониженном напряжении. В ряде случаев после пробоя диэлектрика в канале пробоя остаются проводящие продукты разложения и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства.
2.4.1. Пробой газов
Во многих электроустановках (линии электропередач, конденсаторы, кабели, распределительные устройства электростанций) изолирующей средой у поверхности изоляторов и между открытыми токоведущими частями служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях (при температуре 20 °C и атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) невелика по сравнению с прочностью большинства жидких и твердых диэлектриков и составляет 3...4 кВ/мм.
В любом газе, в том числе и в воздухе, под воздействием внешних ионизаторов, которыми являются рентгеновское, космическое, тепловое излучения, возникает небольшое количество свободных зарядов – положительных и отрицательных ионов, а также электронов (несамостоятельная ионизация). Эти свободные заряды, как и нейтральные молекулы газа, находятся в беспорядочном тепловом движении.
Если к газовому промежутку приложить электрическое поле, то заряды начинают перемещаться вдоль поля, по пути соударяясь с нейтральными молекулами. При перемещении заряженная частица приобретает дополнительную энергию:
34
W = qUλ, |
(2.27) |
где q – заряд частицы; Uλ – падение напряжения на длине свободного пробега (длине между двумя соударениями).
Если поле достаточно однородно, то Uλ = Eλ, где E – напряженность поля, λ – длина свободного пробега. Тогда
W = qλE. |
(2.28) |
Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение молекул, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже их ионизация, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы (рис. 2.20). В результате ионизации число электронов в газовом промежутке очень быстро (лавинообразно) увеличивается (электронная лавина).
а |
б |
Рис. 2.20. Схема ионизации нейтральной молекулы газа: а – до ионизации; б – после ионизации; 1 – электрон; 2 – нейтральная молекула; 3 – положительный ион
Условие, определяющее возможность ионизации:
W ≥ Wи, |
(2.29) |
где Wи – энергия ионизации.
В процессе ионизации принимают участие только электроны. Это объясняется тем, что электроны имеют бόльшую подвижность, чем ионы. Соответственно и длина свободного пробега у электронов больше, чем у ионов.
35
В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а лишь привести ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой нейтральной молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа, благодаря большой скорости распространения излучения, приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов повышенной электропроводности газа.
На рис. 2.21 представлена схема развития разряда в газовом промежутке. Из него становится понятным, почему рост проводящего канала (стримера) происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Здесь лавины показаны в виде серых конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов.
Рис. 2.21. Схематичное изображение распространения стримера при пробое газа
Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.
Начала волнистых линий (фотонов) исходят из молекул, которые были возбуждены ударом электрона и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 3 108 м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом волнистой линии, ионизируют нейтральную частицу газа, порождая новую лавину.
36
Таким образом, пока первая лавина вырастает на величину АВ (см. рис. 2.21), намечающийся канал повышенной электропроводности газа (стример) распространяется на величину СD.
В следующей стадии отдельные лавины в стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа – канал пробоя. Ток в канале пробоя резко возрастает, и газ теряет свои изоляционные свойства (пробивается).
Пробой газа в однородном поле
Пробой газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором он осуществляется. Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле (между плоскими электродами) в зависимости от различных факторов.
Зависимость электрической прочности газа от расстоя-
ния между электродами. Электрическая прочность Епр зависит от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет Епр
(рис. 2.22).
Рис. 2.22. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном электрическом поле (f = 50Гц, Т = 20 оС, P ≈ 0,1 МПа)
37
При малом расстоянии между электродами рост Епр связан с трудностью формирования разряда: уменьшается вероятность столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке, поскольку свободные электроны быстро достигают положительной обкладки.
Зависимость электрической прочности газа от давления.
Электрическая прочность газа в значительной степени зависит от его плотности, т.е. от давления, если температура постоянна
(рис. 2.23).
|
|
|
|
|
При давлениях выше атмо- |
|
Eпр |
|
h = const |
|
|
сферного (более 0,1 МПа) и соот- |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
ветственно повышенной плотности |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
газа расстояние между отдельными |
|
|
|
|
|
|
молекулами |
становится меньше; |
|
|
|
|
|
тем самым |
уменьшается длина |
|
|
|
|
|
свободного пробега электронов и, |
|
|
|
0,1МПа |
P |
|||
|
|
как следует |
из формулы (2.28), |
|||
|
Рис. 2.23. Зависимость |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
электрической прочности |
|
|
для того чтобы пробой произо- |
||
|
|
газа от давления |
|
|
шел, должна быть увеличена на- |
|
|
|
|
|
|
пряженность поля. |
|
|
|
При уменьшении давления ниже 0,1 МПа вначале наблюда- |
||||
ется падение электрической прочности. Когда же давление доходит до некоторого предела и разрежение достигает высоких степеней, электрическая прочность начинает снова возрастать. Это возрастание объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема при сильном разрежении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.
При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность зависит от материала и состояния поверхности электродов, доходит до весьма высоких значений и больше не изменяется («полочка» на рис. 2.23).
Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании вакуумных конденсаторов и вы-
38
ключателей. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения.
Зависимость электрической прочности газа от частоты.
Зависимость электрической прочности газов от частоты имеет вид,
показанный на рис. 2.24. |
|
|
|
|
||
Для |
понимания |
механизма |
|
|
|
|
влияния частоты на электрическую |
Eпр |
|
|
|
||
прочность газа рассмотрим график |
|
|
|
|||
|
|
|||||
|
|
|
|
|||
изменения |
переменного |
напряже- |
|
|
|
|
ния во времени (рис. 2.25). |
|
|
|
|
||
Образование электронных ла- |
|
|
|
|
||
вин и, следовательно, формирова- |
|
|
|
|
||
ние канала пробоя возможно, когда |
|
|
107 Гц |
f |
||
напряжение в газовом промежутке |
Рис. 2.24. Зависимость |
|
||||
превысит напряжение начала удар- |
|
|||||
электрической прочности |
|
|||||
ной ионизации Uи (участки 1–2, 3–4 |
|
|
газа от частоты |
|
||
и т.д.). При снижении напряжения |
|
|
|
|
||
ниже Uи свободные заряды, сформировавшиеся в газе, двигаются в направлении обкладок, не образуя новых лавин (участок 2–3 и т.д.). Если частота мала, время, отведенное на такое движение, достаточно для рекомбинации всех вновь образованных свободных зарядов и к началу следующего цикла ионизации (участок 3–4) газ успевает приобрести исходные параметры. Таким образом, в области малых частот электрическая прочность Епр от частоты не зависит («полочка» на рис. 2.24).
Рис. 2.25. Изменение напряжения во времени
39
С ростом частоты время, отводимое на нейтрализацию зарядов (участок 2–3), сокращается и малоподвижные положительные ионы не успевают достигать обкладок, образуя в межэлектродной области объемный положительный заряд, облегчающий пробой. Прочность газа Епр начинает снижаться.
В области высоких частот (более 107 Гц) поле меняется настолько быстро, что свободные электроны не успевают набрать необходимую для ионизации скорость за время на участке 1–2. Поэтому прочность газа Епр возрастает.
Пробой газа в неоднородном поле
Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, а также между проводами линий электропередач (ЛЭП). Пробою газа в неоднородном поле всегда предшествует корона – частичный (незавершенный) разряд, возникающий в местах, где напряженность поля достигает критических значений, достаточных для местного (неполного) или локального пробоя. При дальнейшем возрастании напряжения коронный разряд переходит в искровой, а затем в дуговой.
В случае несимметричных электродов игла – плоскость и положительной полярности на игле пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис. 2.26).
Ионизация газа и возникновение короны при любой полярности электродов начинается вблизи острия, где напряженность электрического поля имеет наибольшее значение. Ионизированное пространство вблизи иглы содержит отрицательные электроны и положительные ионы.
Электроны, как более подвижные частицы, быстро уходят из этой области, а малоподвижные положительные ионы так быстро уйти не успевают. Они образуют вблизи острия «облако» из положительно заряженных ионов – так называемый объемный по-
ложительный заряд (рис. 2.27).
40