книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение

Рис. 2.26. Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле

Рис. 2.27. Образование объемного положительного заряда на острие иглы при разной полярности электродов

При положительной полярности этот заряд служит продолжением острия. Это сокращает протяженность разрядного промежутка и облегчает его пробой. Пробой наступает при меньшем напряжении, чем в случае отрицательной полярности на острие, когда объемный положительный заряд экранирует острие от плоскости, заряженной положительно. При отрицательной полярности на острие пробой происходит при большем напряжении.

41

в результате которого жидкость вскипает с выделением газообразных продуктов. Поскольку электрическая прочность газа гораздо ниже электрической прочности жидкого диэлектрика, пробой будет происходить по этим газовым включениям.

Кроме того наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности. Резкое снижение Епр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля.

2.4.3. Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков зависит как от свойств диэлектрика, так и от внешних факторов, и 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. Различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический, ионизационный.

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

Этот вид пробоя характерен для однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Он протекает за время не более 10 7…10 8 с и не обусловлен тепловой энергией, хотя величина электрической прочности при электрическом пробое в некоторой

43

к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и др. При тепловом пробое величина пробивной напряженности является характеристикой не только материала, но и изделия в отличие от электрического пробоя, при котором пробивная напряженность может служить характеристикой материала с точки зрения электрической прочности. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др.

Кроме того, тепловое пробивное напряжение Uпр зависит от теплостойкости материала. Органические диэлектрики (например, полиэтилен, полистирол), при прочих равных условиях, имеют более низкую электрическую прочность при электротепловом пробое, чем неорганические (кварц, керамика), вследствие малой теплостойкости.

Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика вследствие диэлектрических потерь Рд, будет определяться по формуле (2.25).

Тепловая мощность, отводимая от образца (мощность теплоотдачи Рт), пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур образца Т и окружающей среды Т0:

где σ – коэффициент теплоотдачи.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графиком, показанным на рис. 2.29.

Изначально диэлектрик, не находящийся в электрическом поле, имеет температуру окружающей среды Т0. Если на него подать напряжение U1, в нем появляются диэлектрические потери Рд,

45

В общем случае тепловой пробой – более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры: средний слой оказывается нагретым сильнее, чем слои, прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопроводность материала электродов.

При тепловом пробое электрическая прочность диэлектрика с увеличением толщины снижается (рис. 2.30, а). Это обусловлено ухудшением условий теплоотвода из глубинных слоев диэлектрика за счет низкой теплопроводности.

С увеличением температуры окружающей среды величина электрической прочности твердых диэлектриков при электротепловом пробое будет снижаться за счет ухудшения условий теплоотдачи в окружающую среду (рис. 2.30, б).

Рис. 2.30. Зависимость электрической прочности твердого диэлектрика при тепловом пробое: а – от толщины; б – от температуры

Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха и обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение, триингообразование) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т. п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказыва-

47

ется в меньшей мере при переменном напряжении. Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. Его характеристикой является время жизни электрической изоляции (промежуток времени от момента подачи напряжения до пробоя).

Ионизационный пробой это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях поля в воздушных включениях возникает самостоятельная ионизация воздуха (протекают электронные лавины) (рис. 2.31). Свободные заряды (электроны и ионы), полученные при прохождении лавин, накапливаются на противоположных стенках включения (заряжают воздушное включение). Каждая новая лавина увеличивает заряд воздушного включения. Как только воздушное включение накопит достаточный для преодоления сил внешнего поля заряд, электроны и ионы устремятся друг к другу и рекомбинируют (частичный разряд). Затем процесс повторяется.

Рис. 2.31. Схема формирования частичного разряда в газовом включении: а – электронная лавина в газовом включении;

б – накопление зарядов на стенках включения

Протекание частичных разрядов в газовых включениях приводит к выделению тепловой и световой энергии, образованию озона (окисляет «здоровую» изоляцию стенок). Ускоренные ионы бомбардируют стенки включения, вызывая их дополнительный разогрев. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Епр.

48

Поверхностный пробой – это пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции, называемый также поверхностным перекрытием. Поскольку Епр жидкостей и особенно газов ниже Епр твердых диэлектриков, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой в первую очередь будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. И, хотя формально твердый диэлектрик при поверхностном пробое не пробивается, на его поверхности образуются проводящие следы («треки»), снижающие изоляционные свойства диэлектрика.

Чтобы не допустить поверхностного пробоя, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика. Поверхностное Uпр также повышают путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.

2.5. Тепловые свойства диэлектриков

Помимо электрических характеристик к важнейшим свойствам диэлектриков относятся тепловые: нагревостойкость и холодостойкость.

Нагревостойкость – способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, срав-

нимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагревостойкости, которая обычно определяется нагревостойкостью электрической изоляции, позволяет получить более высокую мощность при неизменных габаритах или же при сохранении мощности достичь уменьшения габаритных размеров и стоимости изделия. Повышение рабочей темпе-

49