6.Пробой диэлектриков. Виды пробоев. Напряжение пробоя, электрическая прочность.

Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда ди­электрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике обра­зуется канал проводимости. Следствием пробоя является возникновение тока короткого за­мыкания 1_Кз, который не зависит от природы диэлектрика и опреде­ляется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика — образуется сквоз­ное проплавленное отверстие.

Виды пробоев: 1.Пробой твердого однородного диэлектрики, 2.пробой твердого неоднородного диэлектрика, 3.пробой газов, 4.пробой жидких диэлектриков.

По характеру различают 6 пробоев: электрически, электротепловой, электрохимический, ионизационный, электромеханический, электротермомеханический.

Напряжение пробоя. При пробое газообразных диэлектриков принимают максималь­ные (амплитудные) значения напряжения и тока (U_M =корень из2*U_эф, I_м = корень из2*I_Эф), так как пробой газов обусловлен чисто электрическими процессами — электронной ударной ионизацией, фотоионизацией и холодной эмиссией электронов из катода.

При пробое твердых и жидких диэлектриков принимают дейст­вующие (эффективные) значения напряжения £/_эф и тока /_эф, так как пробой этих диэлектриков обусловлен не только электронными про­цессами, но и тепловыми, возникающими в результате диэлектриче­ских потерь.

Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробив­ным напряжением U_np, а напряженность электрического поля в дан­ном случае характеризует электрическую прочность Е_пр диэлектрика.

Следовательно, электрическая прочность Е_ир диэлектрика — это минимальное значение напряженности приложенного электрическо­го поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять Е_ир= U_np/h.

где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.

В Международной системе единиц Е_пр измеряется в вольтах на метр, В/м. На практике в качестве единицы измерения используют киловольт на миллиметр, кВ/мм, для газов — кВ/см:

10 кВ/см = 1 кВ/мм = 1 МВ/м = 10⁶ В/м.

Электрическая прочность Е_пр диэлектриков зависит в первую очередь от степени однородности образца (у твердых диэлектри­ков — от количества и размера пор, у жидких — от частиц нераство- ренной примеси, у воздуха — от микрокапель влаги), химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами), частоты и времени приложения напряжения, давле­ния, влажности и т.д. На сегодняшний день нет теории, которая учи­тывала бы одновременное влияние всех указанных факторов на ме­ханизм пробоя и с помощью которой можно было бы определить Е_пр любого диэлектрика. Поэтому для всех диэлектриков Е_пр определяют экспериментально. Наиболее хорошо изученным является механизм пробоя воздуха.

Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) i/_pa6 берется всегда ниже, чем U_np изоляции. Отношение U_np/U_ptLb представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.

7.Пробой жидких диэлектриков. Зависимость электрической прочности жидких диэлектриков от различных факторов .Способ определения электрической прочности твердых диэлектриков. Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложное явление, чем пробой газов. Жидкие, хорошо очищенные диэлектри­ки имеют при нормальных условиях электрическую прочность при­мерно на порядок выше, чем воздух. На величину Е_пр жидких ди­электриков существенно влияет примесь нерастворенная, е которой отличается от £ диэлектрика. Электрическая прочность на импульсах напряжения в однородном поле у тщательно очищенных нефтяных электроизоляционных масел и простых органических жидкостей (особенно тех, молекулы которых содержат атомы F и С1) сравнима с Е_пр многих твердых диэлектриков и составляет величину порядка 10⁸ В/м. Их Е_пр почту, не зависит от температуры, расстояния А меж­ду электродами при h > 20—60 мкм (у н-гексана при А > 45 мкм) и длительности импульса до т « 10“⁶ с ( у н-гексана до т > 1—2 мкс). Эти экспериментальные данные свидетельствуют в пользу электри­ческой формы пробоя, в основе которого лежат электронная удар­ная ионизация и холодная эмиссия электронов из катода. При h < 20—60 мкм с уменьшением расстояния между электродами Е_пр возрастает. Это явление называют электрическим упрочнением.

Исследования механизма пробоя жидких диэлектриков с помо­щью скоростной фоторегистрации показали, что в начальной стадии в местах образования будущих каналов пробоя возникают оптиче­ские неоднородности, представляющие собой густое переплетение темных микроскопических нитей. Эти оптические неоднородности, очевидно, являются газовыми пузырьками, образовавшимися в ре­зультате тепловых процессов, вызванных токами электронной эмис­сии из катода, автоионизацией молекул жидкого диэлектрика и по­ляризационными токами.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что на механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы.

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих механизм пробоя жидких диэлектриков. Однако ни одна из них не раскрывает в полном объеме механизм этого процесса. Поэтому Е_пр (t/_np) жидких диэлектриков определяют только экспериментальным путем. Из всех известных теорий кратко рассмотрим две теории — те­плового и электрического пробоев, так как влияние на механизм пробоя электронных и тепловых процессов доказано экспериментально.

Зависимость электрической прочности жидких диэлектриков от различных факторов.

Влияние природы жидких диэлектриков на их электрическую прочность. Установлено, что с увеличением плотности жидкости и ее молекулярной массы Епр обычно возрастает.

Влияние природы примесей на электрическую прочность. Вода в расстворенном виде на Епр нефтяных электроизоляционных масел почти не влияет, а в эмульсионном состоянии(в виде капелек) уже в небольших количествах резко снижает электрическую прочность масел.

Влияние частоты напряжения на электрическую прочность жид­ких диэлектриков. С увеличением частоты напряжения Е_пр техниче­ски чистого нефтяного трансформаторного масла возрастает на 25—30% (по отношению к Е_пр, измеренному при 50 Гц), проходит через максимум при частоте 800 Гц и далее снижается в несколько раз. Снижение Е_пр происходит в результате усиления влияния теп­ловых процессов, вызванных увеличением диэлектрических потерь. На импульсном напряжении (т«10'⁶си менее) Е_пр заметно возрас­тает и становится мало зависимой от степени загрязнения масла. На очень коротких импульсах загрязненное трансформаторное мас­ло имеет такую же электрическую прочность, как и хорошо очи­щенное масло.

Влияние расстояния между электродами и их формы на электриче­скую прочность Е_пр жидких диэлектриков. Электрическая прочность хорошо очищенных жидких диэлектриков при увеличении расстоя­ния h между электродами вначале резко снижается. Однако, начиная с некоторого значения Л > 20—60 мкм (у н-гексана при h > 45 мкм), Е_пр в однородном поле остается величиной примерно постоянной, и U_np линейно возрастает с увеличением Л. Следовательно, в данном случае превалирует электрическая форма пробоя. Для хорошо очи­щенного и сухого нефтяного масла примерное значение U_np в одно­родном поле можно найти расчетным путем: нужно значение U_np воздуха, полученное при тех же условиях, при которых производится испытание масла, умножить на величину h (2,5 мм).

Форма электродов, как и в случае воздуха, оказывает влияние на Е_пр жидких диэлектриков. Электроды, создающие неоднородные поля, приводят к снижению Е_пр.