21. Вплив характеристик діелектрика і зовнішніх факторів на пробивну напругу при тепловому пробої.

Пробивна напруга при тепловому пробої залежить від ряду факторів: частоти поля, умов охолодження, температури навколишнього середовища та інших. Крім того, напруга теплового пробою залежить від нагрівостійкості матеріалу. Органічні діелектрики внаслідок малої нагрівостійкості, за інших рівних умов, мають більш низькі значення пробивних напруг при тепловому пробої, ніж неорганічні. При розрахунках напруги теплового пробою повинні братися до уваги значення tgd діелектрика і його залежність від температури, а також діелектрична проникність матеріалу.

У колах змінного струму низької частоти знаходять застосування матеріали, що дають різке зростання tgd уже при нагріванні вище 20 – 30 °С; з іншого боку, відомі діелектрики, значення tgd яких мало змінюється в дуже широкому інтервалі температур, аж до 150 – 200 °С (в останньому випадку тепловий пробій зможе розвиватися тільки при досягненні цих температур).

Температура нагрівання ізолятора в електричному полі високої напруги встановлюється тоді, коли тепловиділення виявиться рівним тепловіддачі в навколишнє середовище. У більшості випадків тепловідведення обумовлюється конвекцією повітря. Такі умови роботи підвісних і опорних ізоляторів, керамічних конденсаторів, каркасів котушок індуктивностей.

Тепловідведення за рахунок теплопровідності навколишнього середовища має місце для кабелів, вводів, вмонтованих у стіни. Звичайно при розрахунку ізоляторів вибирають таку робочу напругу, яка відповідає сталій температурі, щоб температура нагрівання не перевищувала деякого заданого значення, небезпечного з погляду нагрівостійкості діелектрика.

Тепловий пробій виникає у тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, яка може розсіюватися в даних умовах в навколишнє середовище. В цьому випадку порушується теплова рівновага, а процес набуває лавиноподібного характеру. Явище теплового пробою зводиться до розігрівання матеріалу в електричному полі до температур, відповідних розплавлення та обвуглювання.

Електрична міцність при тепловому пробої є характеристикою не тільки матеріалу, але і виробу з нього, тоді як електрична міцність при електричному пробої служить характеристикою самого матеріалу. Пробивна напруга, зумовлена нагрівом діелектрика, залежить від частоти напруги, умов охолоджування, температури навколишнього середовища. Крім того, електротеплова пробивна напруга залежить від нагрівостійкості матеріалу. Органічні діелектрики (наприклад, полістирол) мають нижчі значення електротеплових пробивних напруг, ніж неорганічні (кварц, кераміка) внаслідок їх малої нагрівостійкості.

22. Часткові розряди в діелектриках і характеристики їхньої інтенсивності.

Під дією високої напруженості електричного поля в ізоляції в місцях з пониженою електричною міцністю виникають часткові розряди (ЧР), котрі представляють собою пробій газових включень, локальні пробої малих об’ємів твердого діелектрика. Умови виникнення ЧР визначаються конфігурацією електричного поля ізоляційної конструкції та електричними характеристиками розглядуваної області ізоляції.

ЧР зазвичай не призводить до наскрізного пробою діелектрика, однак призводить до місцевого руйнування ізоляції, а при тривалому існуванні можуть призвести до наскрізного пробою.

Виникнення ЧР завжди свідчить про місцеву неоднорідність діелектрика. В зв’язку з цим реєстрація характеристик ЧР дозволяє оцінювати якість виготовлення ізоляції та виявляти місцеві дефекти.

Характеристики ЧР достатньо добре корелюють з розмірами і кількістю дефектів, тобто дозволяють судити про ступінь дефектності ізоляційної конструкції.

Вивчення характеристик ЧР залежно від різних умов роботи стало питанням першочергової важливості для кабелів, конденсаторів, трансформаторів та ін. пристроїв – там, де застосовується шарова ізоляція при змінній, постійній та пульсуючій напрузі.

ЧР виникають тоді, коли напруга на ввімкненні досягає пробивного значення   - напруга запалювання у вмиканні. Напруженість електричного поля у включенні   пов’язана з напруженістю в решті частини діелектрика, як

                                       (1.49) 

де   - напруженість електричного поля в діелектрику;   - відносна діелектрична проникність діелектрика;   - відносна діелектрична проникність включення.

Виходячи з(1.49), напруженість електричного поля у газовому включенні (і в будь-якому іншому, де  ) завжди вища, ніж в решті діелектрика.

Найбільшу небезпеку ЧР представляють на змінній чи імпульсній напрузі.

Руйнуюча дія ЧР на діелектрики обумовлено наступними факторами, що виникають при пробої включення:

1)   вплив ударних хвиль;

2)   теплова дія;

3)   бомбардування зарядженими частинками;

4)   вплив хімічно активними продуктами розряду (озон, окисли азоту);

5)   вплив випромінювання;

6)   розвиток деревовидних пагонів – дендритів.

23. Особливості і закономірності іоніза­ційного пробою. Теорія іонізаційного пробою (для рідин, максимально очищених від домішок).

Різновидом теплового пробою можна вважати іонізаційний пробій. Він характерний для неоднорідних діелектриків, що містять включення зі зниженою електричною міцністю, наприклад, газові включення. Таке включення можна представити у вигляді елементарного конденсатора, на обкладках якого при додаванні зовнішнього поля починає накопичуватися заряд. У зв'язку з тим, що діелектрична проникність включення завжди менше значення проникності навколишнього матеріалу, в перерізі діелектрика відбувається перерозподіл напруженості поля, що приводить до збільшення напруженості у включенні. Навіть при помірній напрузі, прикладеній до діелектрика, напруженість у включенні може досягти величини, достатньої для виникнення іонізаційного процесу, що приводить до розряду. Пробій газового чи рідкого включення діелектрика називається частковим розрядом. У результаті іонізаційних втрат розігрівається поверхня закритих пор, виникають локальні перепади температури і пов'язані з ними термомеханічні напруження. Це може призвести до розтріскування діелектрика. Тепловий пробій зазвичай триває протягом 10^-2...10^-3 с при Е_пр близько 10 МВ/м.

Рідкі діелектрики відрізняються більш високою електричною міцністю, ніж гази в нормальних умовах. Гранично чисті рідини отримати надзвичайно важко. Постійними домішками в рідких діелектриках є вода, гази і тверді частинки. Наявність домішок і визначає в основному явище пробою рідких діелектриків і викликає великі труднощі для створення точної теорії пробою цих речовин.  Теорію електричного пробою можна застосувати до рідин, максимально очищеним від домішки. При високих значеннях напруженості електричного поля може відбуватися виривання електронів з металевих електродів і, як і в газах, руйнування молекул самої рідини за рахунок ударів зарядженими частинками. При цьому підвищена електрична міцність рідкого діелектрика в порівнянні з газоподібним обумовлена ​​значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Пробій рідин, що містять газові включення, пояснюють місцевим перегрівом рідини за рахунок енергії, що виділяється у відносно легко іонізуючих бульбашках газу, який призводить до утворення газового каналу між електродами. Вода у вигляді окремих дрібних крапельок, що знаходяться втрансформаторному маслі, при нормальній температурі значно знижує E _пр. Під впливом тривалого електричного поля сферичні крапельки води сильно дипольної рідини поляризуються, набувають форму еліпсоїдів і, притягаючи між собою різнойменними кінцями, створюють між електродами ланцюжка з підвищеною провідністю, по яких і відбувається електричний пробій.