3.3.2. Тепловой пробой твердой изоляции

Механизм теплового пробоя можно пояснить на простейшем примере, приняв условно, что температура Θ во всех точках изоляции одинакова. При воздействии на изоляцию переменного напряжения U количество тепла Q_в, выделяющегося в единицу времени за счет диэлектрических потерь, а также количество тепла Q_отв, отводимого от изоляции в окружающую среду, определяются выражениями:

Q_в = CU² tg , (2.7)

Q_отв = Sk( - _окр), (2.8)

где С - емкость изоляции; tg δ - тангенс угла диэлектрических потерь; S - поверхность изоляции, от которой отводится тепло в окружающую среду; k - коэффициент теплоотдачи; Θ_окр - тем­пература окружающей среды, Θ - температура изоляции.

У большинства изоляционных материалов диэлектрические потери и, следовательно, величина tg δ с ростом температуры увеличиваются. Зависимость tg δ от температуры Θ приближенно соответствует выражению

tg δ = , (2.9)

где Θ_о- температура, при которой tg δ = tg δ_о.

В этом случае Q_в и Q_отв зависят от температуры изоляции, как показано на рис. 2.3, на котором кривые Q_в построены для нескольких значений напряжения. При напряжениях U₁ и U₂ достигается равенство Q_в = Q_отв, т.е. возможны устойчивые режимы нагрева изоляции с температурами Θ₁ и Θ₂ соответственно.

Рис. 2.3. К механизму теплового пробоя

Наибольшее значение напряжения, при котором еще может соблюдаться условие Q_в = Q_отв, равно U₃ (кривые Q_в и Q_отв касаются при Θ = Θ₃). Однако уже в этом предельном случае тепловой режим изоляции оказывается неустойчивым. При случайном повышении температуры или напряжения количество выделяющегося тепла будет постоянно превышать количество тепла отводимого и температура изоляции Θ станет неограниченно возрастать. Таким образом, при U ≥U₃ термическое равновесие изоляции нарушается, температура беспредельно увеличивается и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических качеств. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Из графиков на рис. 2.3 следует, что нарушение термического равновесия изоляции наступает, если Q_в ≥ Q_отв и

. (2.10)

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.

Для изоляционных конструкций, работающих в напряженных тепловых режимах, для которых опасность теплового пробоя особенно велика (вводы, силовые кабели и конденсаторы), созданы инженерные методики расчета напряжения теплового пробоя, достаточно полно учитывающие действительные условия нагрева и охлаждения. Однако в этих методиках рассматриваются установившиеся режимы нагрева. В условиях же эксплуатации повышенные напряжения воздействуют на изоляцию ограниченное время, за которое не всегда достигается установившееся состояние нагрева. При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если U > U_пр. Поскольку инженерные методы расчета напряжения теплового пробоя в неустановившихся режимах нагрева отсутствуют, способность изоляционной конструкции выдерживать непродолжительные перегрузки проверяется экспериментально.