3.12. Пробой твёрдых диэлектриков

Электротепловой пробой — тепловое разрушение электроизоляционного материала (расплавление, прожигание) при его нагреве за счёт диэлектрических потерь и объёмных токов.

В изоляционном материале, помещённом в переменное электрическое поле, выделяется тепловая энергия и он нагревается.

В то же время тепловая энергия от нагретого диэлектрика передаётся окружающей среде.

Эти процессы сбалансированы: сколько теплоты выделяется в диэлектрике, столько же отдаётся окружающей среде. Но чем активнее выделяется теплота и чем слабее она отдаётся окружающей среде, тем при более высокой температуре диэлектрика сбалансируются эти процессы.

Ежесекундно выделяющуюся в диэлектрике тепловую энергию *⁾ можно определить по (3.20)

P_выдел = tg·2·f·C·U² (3.20)

Так как C = (S··_О) / h , а U = h·E ,

то P_выдел = tg·2·f·[(S··_О) / h ] h²·E² (3.21)

Упрощая (3.21) с учётом численных значений  и _О и имея в виду,

что S h = V — объём диэлектрика, получаем (3.22)

P_выдел = ( tg··V·f·E² ) / ( 1,8·10¹⁰ ) , Вт . (3.22)

Анализ выражения (3.22) показывает, что сомножители tg (тангенс угла диэлектрических потерь),  (относительная диэлектрическая проницаемость) и V (объём диэлектрика, м³) характеризуют изоляционный материал, а сомножители Е (напряжённость, В/м) и f (частота, Гц) — электрическое поле, воздействующее на него.

-----------------------------------------------------------------------------------

*) ежесекундная энергия Q (Дж) / t (с) = P (Вт) — мощность

З ависимость ежесекундно выделяющейся в диэлектрике тепловой энергии Р_выдел от частоты и напряжённости электрического поля показана на рис. 3.29 в левой части номограммы.

В

Рис. 3.29. Номограмма для определения температуры изоляционного материала

идно, что выделяющаяся в толще изоляции тепловая энергия пропорциональна частоте поля, а увеличение его напряжённости E в 2 раза вызывает четырёхкратное увеличение ежесекундно выделяемой тепловой энергии. В приведённых зависимостях для упрощения не учтён рост потерь за счёт увеличения диэлектрической проницаемости при повышении температуры диэлектрика.

Тепловую энергию, которую нагретая изоляция ежесекундно отдаёт окружающей среде, можно определить по (3.23):

Р_отдав = k t , (3.23)

где t — превышение температурой изоляции температуры окружающей среды, град ;

k — коэффициент теплоотдачи (Вт/град), зависящий от :

• теплопроводности материала изоляции ;

• площади поверхности изоляции ;

• теплоёмкости окружающей среды ;

• вида циркуляции окружающей среды.

Графическое представление этой зависимости показано на рис. 3.29 в правой части номограммы.

Легко заметить, что при одной и той же отдаваемой энергии Р_отдав изоляция может иметь различные температуры в зависимости от величины коэффициента теплоотдачи k.

Если среда, окружающая изоляцию, имеет высокую теплоёмкость и коэффициент k₁ высок, то температура изоляции будет на t₁ градусов выше, чем температура окружающей среды.

Если же изоляция находится в газовой среде с естественной конвективной циркуляцией и коэффициент теплоотдачи k₃ низок, то перегрев материала изоляции относительно температуры окружающей среды будет весьма значителен и составит t₃ градусов.

Температуру изоляции t_изол можно определить, зная температуру окружающей среды t_окр по (3.24):

t_изол = t_окр + t (3.24)

Исходя из напряжённости (E) и частоты (f) переменного поля (в левой части номограммы), можно определить перегрев изоляции (t в правой части номограммы) относительно температуры окружающей среды при различных видах охлаждения, а затем и возможные температуры изоляции.

Далее решается вопрос: использовать ли дешёвую нетеплостойкую изоляцию, которая способна работать при перегреве t₁ совместно с относительно дорогой системой жидкостного охлаждения (рис. 3.29, вариант 1), или же применить более дорогую теплостойкую изоляцию с дешёвой системой её охлаждения газом при естественной циркуляции (рис. 3.29, вариант 3). Окончательное решение основывается на соображениях экономической целесообразности.

Н агрев изоляции снижает её электрическую прочность (рис. 3.30), уменьшает удельное объёмное сопротивление и увеличивает объёмный ток _v , что ведёт к дополнительному нагреву изоляции. Изоляция из термопластичных пластмасс при перегреве плавится, изоляция из органических материалов — обугливается.

Т

Рис. 3.30. Зависимость электрической прочности твёрдого диэлектрика от температуры

епловой пробой происходит, когда температура изоляции в процессе нагрева станет недопустимо высокой. Процесс нагрева изоляции не может протекать мгновенно, поэтому теплового пробоя изоляции можно избежать, если прекратить нагрев, вовремя выключив электроустановку.

Н

Рис. 3.31. Ограничение нагрева изоляции электрической установки её периодическим выключением

а рис. 3.31 показано изменение температуры и золяции при периодическом выключении установки, когда температура изоляции близка к предельно допустимой, и её пора охладить.

Неоднородность электрического поля увеличивает вероятность пробоя в областях с повышенной напряжённостью электрического поля.

При импульсных напряжениях электротепловой пробой маловероятен, так как он не успевает развиться из-за кратковременности воздействия электрического поля на изоляционный материал.

Мерами, позволяющими избежать теплового пробоя изоляционного материала, являются:

• использование изоляционных материалов с малыми диэлектрическими потерями;

• использование теплостойких диэлектриков, способных без теплового пробоя выдерживать высокие температуры;

• использование тонкой изоляции из материалов с высокой теплопроводностью;

• повышение теплоотдачи изоляции путём её интенсивного охлаждения активно циркулирующей средой с высокой теплоёмкостью;

• сокращение времени работы электроустановки, чтобы температура изоляции не достигала разрушающей величины.

Электрический пробой — лавинообразное нарастание количества свободных электронов в изоляционном материале под действием электрического поля. Электрический пробой твердого диэлектрика свершается за 10^–7… 10^–8 с.

Механизмы электрического пробоя твёрдого диэлектрика и газа сходны по своей сути.

В веществе диэлектрика присутствуют в малом количестве свободные электроны (рис. 3.32). Под действием электрического поля они разгоняются до скорости  (3.25) и накапливают кинетическую энергию W_кин. (3.26):

 = q E  / m ; (3.25);

W_кин = m ² / 2 , (3.26)

где  — скорость движения электрона, м/с ;

q — заряд электрона, Кл ;

m — масса электрона, кг ;

E — напряжённость электрического поля, В/м ;

Рис. 3.32. Механизм электрического пробоя твёрдого диэлектрика

 — время свободного пробега электрона при разгоне, с ;

W_кин — кинетическая энергия электрона, Дж .

Подставив значение скорости  из (3.25) в выражение кинетической энергии W_кин (3.26) получим

W_кин = q² E² ² / 2 m (3.27)

Анализ выражения (3.27) показывает, что за время  свободного пробега в электрическом поле электрон массой m с зарядом q накапливает кинетическую энергию W_кин , пропорциональную квадрату напряжённости этого поля.

Известно, что для разделения нейтральной молекулы вещества на ион и электрон необходима определённая энергия, называемая «энергией решётки» (W_реш), причём для каждого вещества эта энергия вполне определённа.

Если в момент соударения с нейтральной молекулой электрон обладает кинетической энергией W_кин , превосходящей энергию решётки W_реш данного вещества, то разовьётся лавина, свершится его электрический пробой.

Таким образом, условие электрического пробоя можно записать в виде неравенства (3.28)

W_кин  W_реш . (3.28)

Приравняв W_кин = W_реш и преобразовав полученное равенство относительно Е , получим напряжённость электрического поля, достаточную для свершения электрического пробоя (3.29)

E = [ к (W_реш·m )^½] / ( q  ) , (3.29)

где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от размерности величин ;

W_реш — энергия решётки конкретного изоляционного материала;

m — масса электрона ;

q — заряд электрона ;

 — время свободного пробега электрона.

Так как к, m, q,  в каждом конкретном случае неизменны, то правомерно сделать вывод, что минимальная напряжённость электрического поля, достаточная для свершения электрического пробоя данного диэлектрика, зависит от энергии решётки данного вещества, то есть от его строения и свойств:

E =  ( W_реш )^½ (3.30)

Р анее (см. раздел 3.6) эта напряжённость была названа электрической прочностью диэлектрика (E_пр), а теперь вскрыта и её физическая сущность.

Чтобы избежать электрического пробоя, необходимо использовать изоляционные материалы с высокой электрической прочностью и увеличивать толщину изоляции для снижения в ней напряжённости электрического поля и увеличения напряжения пробоя.

Д

Рис. 3.33. Напряжение электрического пробоя стекла в однородном (1) и неоднородном (2) электрических полях

лительность воздействия электрического поля на диэлектрик практически не влияет на его электрическую прочность.

Только при воздействии коротких импульсов с длительностью менее 10^–7 с наблюдается увеличение электрической прочности диэлектрика, так как такое время недостаточно для развития электрического пробоя.

Неоднородность электрического поля значительно снижает напряжение пробоя и электрическую прочность твёрдого диэлектрика (рис. 3.33).

Т емпература практически не влияет на электрическую прочность большинства твёрдых диэлектриков при электрическом пробое (рис. 3.34). При анализе приведённой зависимости обнаруживаются две области: при сравнительно низких температурах (область 1) электрическая прочность почти не изменяется, при более высоких (область 2) — резко падает. Такой характер зависимости объясняется тем, что при малых температурах преобладает электрический, а при более высоких — тепловой пробой.

И

Рис. 3.34. Зависимость электрической прочности электрофарфора от его температуры

онизационный пробой характерен для твёрдых диэлектриков с пористой или слоистой структурой (бумаги, картоны, хлопчатобумажная и синтетическая пряжа, многослойные изоляции). Причина пробоя — ионизация фракций изоляционного материала, имеющих низкую электрическую прочность. Чаще всего это газы в порах и между слоями твёрдых электроизоляционных материалов.

Напряжённости электрического поля в последовательно соединённых слоях изоляции распределяются обратно пропорционально их диэлектрическим проницаемостям (3.31):

E₁ / E₂ = ₂ / ₁ (3.31)

О тносительная диэлектрическая проницаемость газов (₁) близка к единице, у твёрдых диэлектриков (₂) она может достигать 8 и больше. Вследствие этого напряжённость поля в газовых включениях в 2…8 раз превышает напряжённость поля в твёрдом диэлектрике. Газы, кроме того, имеют меньшую, чем твёрдые диэлектрики, электрическую прочность.

П

Рис. 3.35. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь в стекле (1) и в системе «стекло – воздух» (2) от приложенного напряжения

ри повышении напряжения, приложенного к изоляции с газовыми включениями, газ в её порах ионизируется и становится токопроводным ещё до пробоя твёрдых слоёв диэлектрика.

Ионизация газа в порах повышает напряжённость поля в твёрдых слоях изоляционного материала и увеличивает диэлектрические потери в них, что усиливает опасность теплового пробоя.

Необходимо отметить, что при низких напряжениях, недостаточных для развития процесса ударной ионизации газа, наличие пор с газовым наполнением в твёрдом изоляционном материале повышает качества изоляционного материала, уменьшая объёмные токи утечки и диэлектрические потери.

На рис. 3.35 приведены зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от приложенного напряжения применительно к двум видам изоляции: в виде монолитного стекла и к системе из стекла и слоя воздуха. При малых напряжениях, не вызывающих ударной ионизации слоя воздуха, его наличие сказывается благоприятно: диэлектрические потери в системе «стекло – воздух» меньше, чем в слое стекла. Но при напряжении, достаточном для ионизации воздуха, tg резко увеличивается, возникает опасность теплового пробоя.

Ионизированный газ в порах разрушает твёрдый изоляционный материал изнутри, вызывая эрозию стенок пор при бомбардировке их электронами и ионами газового заполнения под действием переменного электрического поля. В очаге ионизации увеличивается температура материала, возникает коронный разряд, из воздуха выделяются сильные окислители — озон и окислы азота.

И

Рис. 3.36. Ионизационный пробой слоистого изоляционного материала

онизация газовых включений в слоистом материале вызывает его расслоение, растрескивание и развитие интенсивных ионизационных процессов вдоль по слоям и трещинам (рис. 3.36). Сначала пробиваются тонкие перегородки между соседними послойными очагами ионизации, затем наступает завершающая стадия — пробой всей толщи слоистого диэлектрика. Канал пробоя может быть весьма извилист, его длина может в десятки раз превышать толщину изоляции.

Разрушение твёрдого слоистого или пористого диэлектрика — процесс, как правило, не мгновенный. Его длительность зависит от напряжённости электрического поля, размера и количества пор, толщины перегородок между ними, стойкости материала к эрозии, воздействию озона и окислов азота.

Для борьбы с ионизационным пробоем пористые материалы (бумагу, картон, ткани и другие волокнистые материалы) пропитывают изоляционными маслами или твердеющими жидкостями с более высокими, чем у газов, электрической прочностью и стойкостью к ионизации.

Замещение газа жидким диэлектриком, уменьшающее опасность ионизационного пробоя, часто применяется для упрочнения изоляции высоковольтных трансформаторов, кабелей и другой электрической аппаратуры.

Перекрытие твёрдых электроизоляционных материалов — пробой окружающей среды по поверхности твёрдого диэлектрика.

Опыт показывает, если токоведущая шина отделена от заземлённого корпуса электроустановки слоем газообразного диэлектрика, например воздуха, то зависимость напряжения его пробоя от расстояния между шиной и корпусом выглядит так, как показано на рис. 3.37(кривая 1). Если же при прочих равных условиях между шиной и корпусом будет размещён ещё и фарфоровый изолятор (электрическая прочность которого примерно в 10 раз превышает прочность воздуха), то п ерекрытие происходит при значительно меньшем напряжении (рис. 3.37, кривая 2). Таким образом, установка весьма электрически прочного фарфорового изолятора снизила напряжение пробоя и уменьшила электрическую прочность изоляции конструкции.

Сделанный вывод не является парадоксальным. Напряжение перекрытия в значительной степени зависит от распределения потенциалов по поверхности изолятора. Чем более однородно электрическое поле, тем выше при прочих равных условиях напряжение перекрытия и тем меньше его вероятность.

С

Рис. 3.37. Напряжение электрического пробоя между токоведущей шиной и корпусом электроустановки при изоляции в виде воздуха (1) и в виде опорного изолятора из электрофарфора (2)

колы глазури у фарфоровых изоляторов, загрязнения, влага на их поверхности не только в виде сплошной плёнки, но и в виде отдельных капель делают поле у поверхности изолятора неоднородным.

Перечисленные факторы провоцируют перекрытие, делая напряжение перекрытия меньшим, чем напряжение пробоя окружающей среды.

Изоляторы, предназначенные для работы на открытом воздухе, для предотвращения перекрытия снабжают многочисленными «юбками» (см. рис. 3.1), сохраняющими сухим и чистым пространство в полости изолятора даже во время дождя и удлиняющими путь тока поверхностного разряда, что уменьшает вероятность перекрытия.

Степень повреждения изолятора при его перекрытии определяется свойствами диэлектрика.

Тугоплавкие неорганические диэлектрики (стекла, керамики) обычно не повреждаются при перекрытии, но могут оплавиться и растрескаться от местного нагрева мощным дуговым разрядом.

На менее дугостойких изоляционных материалах (слюда, гетинаксы, текстолиты) после перекрытия остаётся дорожка (трек), на которой поверхность изолятора заметно повреждена. В дальнейшем перекрытия вновь и вновь будут происходить по повреждённой поверхности вплоть до полного пробоя и разрушения изолятора.

На органических диэлектриках перекрытие оставляет после себя трек в виде обугленной токопроводящей полосы, вызывающей короткое замыкание и немедленный выход электроустановки из строя.

62