3.6. Электрическая прочность диэлектриков

На диэлектрик, разделяющий проводники с отличающимися электрическими потенциалами, действуют силы электрического поля, которые могут вызвать его разрушение, называемое пробоем.

Пробой — образование в диэлектрике канала высокой проводимости и потеря им электроизоляционных свойств. В результате пробоя замыкаются ранее изолированные друг от друга токоведущие детали, токи в электроустановке начинают протекать непредсказуемым образом, электроустановка выходит из строя с последствиями различной тяжести вплоть до гибели людей.

Э лектрическая прочность — способность изоляционного материала противостоять пробою. Электрическую прочность изоляционного материала оценивают минимальной напряжённостью электрического поля (Е _пр), вызывающей пробой диэлектрика.

Н

Рис. 3.14. Стандартный пробойник для определения электрической прочности жидких диэлектриков: 1 — электроды (борны); 2 — фарфоровый сосуд; 3 — испытуемая жидкость

апряжённость электрического поля — разность потенциалов между токоведущими деталями, отнесённая к расстоянию между ними (3.17):

Е_пр = U_пр / h , (3.17)

где Е_пр — электрическая прочность изоляционного материала, МВ/м ;

U_пр — напряжение пробоя — разность потенциалов между токоведущими деталями, при которой произошёл пробой, МВ ;

h — толщина диэлектрика в месте пробоя, м .

Электрическую прочность измеряют в МВ/м или в кВ/мм .

Для определения электрической прочности испытуемый материал помещают между электродами стандартного пробойника (рис. 3.14), напряжение на которых увеличивают со скоростью 1 кВ/с до пробоя диэлектрика.

Чтобы электрическое поле было однородным, используют сферические, полусферические или плоские электроды с закруглёнными краями [3, 5].

Механизмы пробоя газообразных, жидких, твёрдых диэлектриков отличаются друг от друга.

3.7. Пробой газообразных диэлектриков

При электрическом пробое газа между электродами возникают электрические искры в виде светящихся извилистых каналов. Грозовая молния — типичный искровой разряд при напряжении «облако – земля» — около 100 МВ.

Ток молнии — 100 кА ; длительность разряда — 10^6 с; диаметр светящегося канала — 0,1…0,2 м .

Е сли в газовую среду поместить два электрода и монотонно увеличивать приложенное к ним напряжение, наблюдая при этом за током, протекающим сквозь газ, то будет получена вольт-амперная характеристика газового промежутка (рис. 3.15), на которой выделяются четыре области, характеризующие процессы, протекающие в газе.

Т

Рис. 3.15. Воль-амперная характеристика электрического разряда в газе: 1 — тихий разряд; 2 — тлеющий разряд; 3 — аномальный тлеющий разряд; 4 — дуговой разряд

ихий разряд (область 1). В газе всегда имеются свободные отрицательные и положительные заряды в виде электронов и ионов — продуктов естественной ионизации нейтральных молекул, которая происходит под действием внешних воздействующих на газ факторов : радиоактивности земной коры, космического излучения, ультрафиолетового излучения Солнца. В электрическом поле носители зарядов в газе образуют электрический ток, который линейно увеличивается с возрастанием скорости движения заряженных частиц при повышении напряжения.

Тлеющий разряд (область 2). При увеличении напряжённости электрического поля растёт скорость  движения носителей зарядов (3.18):

 = ( q E  ) / m , (3.18)

где  — скорость движения носителя заряда;

q — величина заряда носителя;

E — напряжённость электрического поля;

 — время свободного пробега носителя от одного столкновения с нейтральной молекулой газа до другого;

m — масса носителя заряда.

Вместе с ростом скорости увеличивается и кинетическая энергия ( W _кин ) (3.19) носителей зарядов: W _кин = ( m ² ) / 2 (3.19)

При определённой напряжённости электрического поля носители зарядов обретают энергию, достаточную для ионизации газа. При соударении с его нейтральными молекулами они дробят их на ионы. Но одновременно протекает и обратный процесс: носители положительных и отрицательных зарядов рекомбинируют, вновь образуя нейтральные молекулы газа. Процессы сбалансированы: количества образовавшихся и рекомбинировавших носителей зарядов равны, ток в газе не растёт с увеличением напряжения.

Аномальный тлеющий разряд (область 3). При напряжённости поля, соответствующей критическому напряжению (U _пр на рис. 3.15), энергия носителей зарядов столь велика, что их количество в процессе ударной ионизации лавинообразно нарастает, возникает пробой газа — он утрачивает электроизоляционные свойства.

Пробой газа происходит за 10^7 с при скорости движения носителей зарядов около 1000 км/с . После прекращения пробоя газ деионизируется и восстанавливает свои электроизоляционные свойства.

Дуговой разряд (область 4). В момент пробоя сопротивление газового промежутка и падение напряжения на нём уменьшаются почти до нуля, ток дугового разряда стремится к бесконечности. Газ ионизирован и становится проводником электрического тока.

Газообразные диэлектрики при напряжённостях поля, меньших, чем те, при которых развивается ударная ионизация, являются великолепной изоляцией с высоким удельным сопротивлением (  10¹⁸ Ом·м) и малыми диэлектрическими потерями (tg  10^6). Газы широко используют как диэлектрики в образцовых конденсаторах, как изоляцию между землёй и проводами воздушных линий электропередачи, газонаполненных кабелей и высоковольтных выключателей.

Тлеющий разряд в инертных газах вызывает их свечение : неона — оранжево-красным цветом, аргона — синевато-зелёным. Газосветные трубки тлеющего разряда применяют в рекламе. Малогабаритные неоновые лампы применяют в устройствах сигнализации.

Дуговой разряд используют в газоразрядных осветительных лампах, более экономичных, чем лампы накаливания, и в источниках ультрафиолетового излучения, губительно действующего на болезнетворные бактерии. Дуговой разряд, при котором раскалённые угольные электроды дают ослепительно яркий свет, используют в прожекторах и кинопроекционной аппаратуре. Температура дугового разряда в газе столь высока, что позволяет использовать его для плавки и сварки металлических деталей.