Электрическая прочность некоторых твердых диэлектриков в однородном поле при частоте 50 Гц

О

^пр. действ* МВ/м

Материал

собенности структуры

100—300

100—150

100—200

100—300

100—200

10—30

10—15

8—15

3. 5

4. 5 3—7

Стекло

Каменная соль

Слюда

Пропитанная бумага

Органические пленки (полисти­рол, фторопласт)

Керамика

Микалекс

Пластические массы с наполните­лем (фенолформальдегидные, аминопласты)

Пористая керамика

Дерево

Непропитанная кабельная бумага

Однородные плотные диэлек­трики и слоистые, если поле перпендикулярно слоям

Неоднородные по структуре ди­электрики с закрытыми или сообщающимися между собой капиллярами

Диэлектрики с открытыми круп­ными порами

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя (рис. 4-10).

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с от­крытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая ке­рамика). Электрическая прочность их сравнительно мало отлича­ется от таковой для воздуха; исключение составляет бумага с по­вышенной плотностью. Твердые диэлектрики с закрытыми порами, например плотная керамика, характеризуются более высокой элект- трической прочностью. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлек­трики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых вклю­чений. К ним относятся: слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла (табл. 4-1).

4. 5. Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается теп­ловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в элект­рическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряже­ние, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды. Кроме того, «электротепловое» пробивное напряжение зави­сит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения «электротеп- ловых» пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, кера­мика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагрево­стойкости.

Как показано на рис. 4-10, электрическая прочность при тепло­вом пробое уменьшается с ростом температуры.

Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряже­ния при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рис. 4-11. К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробивного. Рассеиваемая в диэлектрике мощность будет определяться выражением (3-8).

Механизм теплового пробоя (см. рис. 4-10) наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобла-

Рис. 4-11. Пояснение к расчету пробив­ного напряжения при тепловом пробое

р

и.

о-

дающими будут потери сквозной электропроводности. Поэтому, ис­пользуя экспоненциальную зависи­мость б от температуры и пре­образуя выражение (3-8), получим

где и —приложенное напряжение; /—частота; е_г —относительная диэлектрическая проницаемость (считаем ее не зависящей от темпе­ратуры); б₀ —тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; а — температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь; I — температура нагретого за счет диэлект­рических потерь материала; — температура электродов, прибли­зительно равная температуре окружающей среды; 5 — площадь электрода; И — толщина диэлектрика. .

Температура £ по всему объему материала, находящемуся в элект­рическом поле между электродами (краевым эффектом пренебре­гаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теп­лопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое до­пущение).

Так как теплопроводность металла электродов за редким исклю­чением на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлект­рика, будем считать, что теплота из нагревающегося объема его пере­дается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводи­мую от диэлектрика, выразим с помощью формулы Ньютона:

Р

(4-10)

_т = 2оБ (і - /₀),

где а — коэффициент теплопередачи системы диэлектрик — металл электродов.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графи­ческим построением, показанным на рис. 4-11, где в выбранной си­стеме координат изображены экспоненты тепловыделения Р_а = ^ (/) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теп­лопередачи Р_т — ф (0- При значении приложенного напряжения прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры при ко­торой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от об­разца. Если бы по каким-то причинам температура хотя бы немного превысила значение то ординаты отводимой мощности были бы больше ординат тепловыделения и образец самопроизвольно должен был бы возвратиться в устойчивое состояние при температуре (Считаем, что никаких внешних источников радиации, способных повысить температуру образца выше /[, нет.) Напряжение будет не опасным для образца диэлектрика в данных условиях, если на­

грев до температуры ^ не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. Поэтому начнем увеличивать напряжение и доведем его до такого значения и, при котором пря­мая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре /. При значении приложенного напряжения 1/₈, большем напряжения II, никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлект­рика. Таким образом, напряжение и, при котором имеет место не­устойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя и_ар. Его можно определить по двум условиям:

(4-11)

(4-12)

Р — Р •

^г а ' Т1

дР_я дР_т

д/ ~ д( '

Условие (4-12) может быть записано только для одного граничного режима, условие (4-11) справедливо для всех случаев устойчивой работы диэлектрика под напряжением.

Используя формулы (4-9)—(4-12), получаем

(4-13)

к

(4-11)

(4-15)

иу_егХщб₀е^аи-‘°⁾ ₀_₀ 1,8- 10¹⁰Л —

Разделив выражение (4-13) на (4-14), получим

1/а = ^ — /₀.

Подставляя формулу (4-15) в (4-14) и решая полученное урав­нение относительно и, получаем

(4-16)

где К —числовой коэффициент, равный 1,15-10⁵, если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ.

Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше (а больше) и диэлектрик толще; а меньше — при высоких частотах, большом коэффициенте диэлектрических потерь е, 6₀ и большом темпера­турном коэффициенте тангенса угла потерь сс.

В общем случае тепловой пробой — более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем 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. Все это способствует пробою образ­цов при более низких напряжениях, чем получаемые из прибли­женного расчета.

Рис. 4-12. Зависимость ф (с), используемая при расчете напряжения теплового про­боя по В. А. Фоку и

Н. Н. Семенову

Б

цз

V

0.1

г1

0,01 Щ 005 0,1 0,2 0,3 0,5 0/1,0 2 3 45 710

олее строгое рассмот­рение механизма теплового пробоя при постоянном и .переменном напряжениях для одномерного потока те­плоты через электроды вы- ' полнено В. А. Фоком и

Н. Н. Семеновым. Формулы их пригодны для изделий простейшей конфигурации, в частности для тонких пластин или полых цилиндров с большим отношением длины к диаметру (при радиальном поле). При этом считается, что электроды охваты­вают всю площадь, перпендикулярную к потоку теплоты, а диэлектрические по­тери увеличиваются с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Ввиду сложности использованного математического аппарата приведем только окончательные выражения:

У і

(4-17)

Ф(с).

б„а

^пр._оф = 3,82-105 У'

Здесь "Ут — коэффициент теплопроводности диэлектрика, Вт/(м- К); ф (с) — функ­ция, значения которой для плоских образцов находят по рие, 4-12; с — аргумент, вычисляемый из выражения

1

(4-18)

’_т)оЛ

2?т (?ті + оі)

где Ут! — коэффициент теплопроводности материала электродов; а — коэффициент теплопередачи в электроды, Вт/(м²-К); /—толщина электрода, м.

Расчеты по формуле (4-17) также не всегда дают значение пробивного напряже­ния, совпадающее с полученным при опыте, так как сделанные допущения могут отличаться от условий на практике. Например, tg б может меняться не обязательно по экспоненциальному закону в постоянным коэффициентом а, коэффициент тепло­передачи а также не постоянен и зависит от многих факторов. Все зто говорит о том, что аналитический метод теплового расчета в некоторых случаях не может отобра­зить сложные закономерности, определяющие процессы выделения теплоты в ди­электрике и рассеивания его в окружающую среду.

Уменьшение электрической прочности с ростом толщины в данном случае объяс­няется ухудшением теплоотвода от внутренней области диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусло­вливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопро­вождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окси­дов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, по­скольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей оксиды металлов переменной валентности (например, ТЮ₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из оксидов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих орга­нических материалов. Электрохимический пробой во многом зависит от материала электродов.