ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

что практически не препятствует ориентации диполей, поэтому потери падают.

Рис. 4.14. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для разных типов диэлектриков

Если диэлектрики обладают обоими видами потерь, то для них зависимость tgδ от температуры является суммой зависимостей 1 и 2 и выражены кривой 3.

Частота электрического поля. Зависимость tgδ от частоты при постоянной температуре для различных типов диэлектриков приведена на рис. 4.15.

С ростом частоты потери, обусловленные сквозной проводимостью уменьшаются (кривая 1), а дипольно-релаксационные потери имеют максимум (кривая 2). С ростом частоты эти потери сначала возрастают, так как диполи должны все интенсивнее ориентироваться по полю, но, в конце концов, они не будут успевать поворачиваться и потери начнут уменьшаться.

Рис. 4.15. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического поля для разных типов диэлектриков

63

Напряжение. С ростом напряжения tgδ незначительно возрастает, вплоть до самого пробоя, что происходит из-за увеличения электропроводности.

Ионизационные потери имеют место в диэлектриках, содержащих газовые включения, из-за их ионизации (при напряжении, превышающем напряжение возникновения частичных разрядов) потери начинают возрастать раньше и развиваются интенсивнее (рис. 4.16, график 1).

Рис. 4.16. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от напряжения для диэлектриков: 1 — содержащих газовые включения;

2 — не содержащих газовые включения

Если диэлектрик не имеет газовых включений и работает при напряжении далеком от пробивного значения, то его tgδ от напряжения практически не зависит (рис. 4.16, график 2).

Влажность. Влажность резко усиливает потери в диэлектрике из-за увеличения токов сквозной проводимости, поэтому диэлектрик перед эксплуатацией обязательно подвергается сушке и дегазации.

Электротепловое старение. В процессе эксплуатации все материалы подвержены электротепловому старению, а образование продуктов разрушения диэлектрика приводит к увеличению его потерь. Единственными диэлектриками, в которых отсутствует увеличение потерь в процессе эксплуатации — целлюлозная бумага и картон. В них tgδ в сухом состоянии не меняется вплоть до разрушения материала. Увеличение потерь пропитанной целлюлозы связано с потерями жидкого диэлектрика.

64

4.2.4. Пробой диэлектриков

Ни один диэлектрик не способен выдержать приложенного к нему неограниченно высокого напряжения. При увеличении напряжения рано или поздно произойдет пробой при напряжении Uпр (рис. 4.17). При этом наблюдается местное увеличение проводимости из-за резкого увеличения концентрации носителей и сквозного тока, этот процесс завершается образованием проводящего канала пробоя. После пробоя материал утрачивает свои электроизоляционные свойства.

Рис. 4.17. Вольтамперная характеристика диэлектрика

В случае пробоя газообразного или жидкого диэлектрика после снятия пробивного напряжения происходит восстановление электроизоляционных свойств. Для твердого диэлектрика такое восстановление после снятия напряжения отсутствует.

Напряжение, вызывающее пробой называется пробивным Uпр, а соответствующая этому значению напряженность электрического поля — электрической прочностью диэлектрика Епр:

65

что связано с тем, что электрическая прочность твердого диэлектрика больше электрической прочности жидкости и электрической прочности газа.

Электрическая прочность является важнейшей характеристикой материала, если уменьшаются другие характеристики, то изоляционная конструкция пусть не оптимально, но будет продолжать работать, а при рабочей напряженности большей, чем электрическая прочность произойдет отказ работы электрической изоляции.

электрической прочности изоляции (Uраб и Ераб — рабочее напряжение и напряженности электрического поля, соответственно).

Электрическая прочность определятся физическим состоянием и структурой диэлектрика.

Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов носит чисто электрический характер, поскольку начинается с ударной ионизации электронами. Воспроизведение разряда осуществляется вырыванием электронов из катода положительными ионами и фотонами.

Развитие лавинообразного процесса идет в шесть стадий. Первая стадия. Незначительное количество свободных элек-

тронов и ионов под действием электрического поля получают добавочную скорость и начинают двигаться с приобретенной энергией

Вторая стадия. Если приобретенная энергия велика, то при соударении движущейся частицы с нейтральной происходит:

− возбуждение;

66

−ионизация при энергии, большей энергии ионизации, т. е. происходит расщепление молекул на электроны и положительные ионы.

Третья стадия. Одновременно развивается фотонная ионизация за счет поглощения нейтральными молекулами энергии фотонов, испускающих возбуждение, но не ионизированными атомами.

Четвертая стадия. Появившиеся свободные электроны ионизируют или возбуждают нейтральные молекулы. Положительные ионы выбивают электроны при ударах о катод.

Пятая стадия. Число свободных носителей лавинообразно нарастает, образуются стримеры — проводящие каналы. Отрицательный стример содержит электроны и отрицательные ионы, движущиеся от катода к аноду. Положительный стример содержит положительные ионы, движущиеся от анода к катоду.

Шестая стадия. Стримеры мгновенно развиваются, происходит электрический пробой.

Электрическая прочность газа в нормальных условиях не велика и зависит от следующих факторов:

Химический состав. В однородном поле при нормальных условиях электрическая прочность воздуха 3 ммкВ . Для инертных газов

электрическая прочность значительно ниже. У галогеносодержащих газов (фреона (CF2Cl2), элегаза (SF6)) электрическая прочность в 2,5 - 3 раза больше электрической прочности воздуха.

Форма электрического поля. В неоднородном поле электриче-

ская прочность воздуха 0,5 ммкВ .

Расстояние между электродами. При малых расстояниях меж-

ду электродами происходит значительное увеличение электрической прочности, связанное с малой длиной свободного пробега, поскольку затруднено формирование электронной лавины. Так, при промежутке

0,005 мм электрическая прочность воздуха составляет 70 ммкВ .

67

Атмосферное давление. Зависимость электрической прочности газа от давления определяется кривой Пашена (рис. 4.18):

Рис. 4.18. Зависимость электрической прочности воздуха от атмосферного давления

В правой части графической зависимости, электрическая прочность возрастает в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов, из-за уменьшения расстояния между молекулами газа. В левой части — электрическая прочность возрастает из-за того, что происходит разряжение газа, в результате уменьшается вероятность столкновения электронов с молекулами газа.

Частота электрического поля. На рис. 4.19 приведена зависи-

мость электрической прочности воздуха от частоты.

Рис. 4.19. Зависимость электрической прочности воздуха от частоты электрического поля

Падение электрической прочности с ростом частоты вызвано искажением поля вследствие образования положительных пространственных зарядов из-за малой подвижности положительных ионов, которые не успевают за половину периода достигнуть электродов.

68

Увеличение электрической прочности с дальнейшим увеличением частоты связано с затруднением развития пробоя за очень малое время полупериода.

Влажность. Электрическая прочность сильно зависит от влажности, так как у воды повышенная проводимость.

Температура. Электрическая прочность пропорциональна плотности газа, которая обратно пропорциональна температуре, следовательно, электрическая прочность обратно пропорциональна температуре.

Пробой жидких диэлектриков

Процессы, происходящие в жидкостях, при пробое зависят от степени их чистоты и химического состава.

К чистым жидкостям, полученных в лабораторных условиях, применима теория чисто электрического пробоя, т. е. при высоких значениях напряженностей поля происходит эмиссия электронов из электродов с последующим развитием ударной ионизации молекул жидкости.

Длины свободного пробега электронов в жидкостях меньше, чем в газах, из-за их более высокой плотности, поэтому электрическая

прочность жидкостей выше, составляет значения порядка 50 – 70 ммкВ ,

при малых межэлектродных промежутках электрическая прочность жидкостей может достигать 150 - 250 ммкВ .

В технически чистых жидкостях присутствуют растворимые и нерастворимые естественные и искусственные примеси, снижающие

электрическую прочность до 20 – 25 ммкВ . К естественным примесям

относятся различные типы загрязнений (влага, механические включения и др.) к искусственным преднамеренно внесенные в состав жидкостей антиокислители, стабилизаторы, сорбенты.

69

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, связан с местным перегревом, за счет возникновения частичных разрядов. В месте начала ионизации резко увеличивается температура, что приводит к вскипанию жидкости, при этом увеличивается газовыделение, что приводит к образованию газового канала между электродами. По этому каналу собственно и проходит путь пробоя.

Пробой увлажненных жидкостей связан с формированием мостиков, содержащих эмульгированную воду. Под воздействием электрического поля капли воды приобретают форму эллипсоидов и, ориентируясь по полю, образуют канал с повышенной проводимостью

(рис. 4.20).

Рис. 4.20. Формирование мостика, состоящего из капель воды, в диэлектрической жидкости

Попадание 0,01 % процента воды в диэлектрическую жидкость, уменьшает ее электрическую прочность в 5-6 раз, поэтому жидкий диэлектрик перед применением обязательно подвергается обязательной термовакуумной сушке и дегазации.

Кжидкостям, имеющим высокую электропроводность (содержащих много носителей заряда) применима теория теплового пробоя, так как жидкость разогревается за счет высокого уровня диэлектрических потерь. Рост температуры ведет к уменьшению удельного сопротивления, а, следовательно, к росту тока сквозной проводимости, что

витоге приводит к дальнейшему росту температуры. Этот процесс развивается вплоть до вскипания жидкости с последующим пробоем.

Кфакторам, влияющим на электрическую прочность жидкого диэлектрика, относятся:

70

Химический состав. Электрическая прочность уменьшается с ростом способности жидкостей к диссоциации, т. е. по мере роста полярности их молекул.

Частота приложенного напряжения. Электрическая прочность уменьшается с ростом частоты, что связано с увеличением мощности потерь и разогревом жидкости.

Количество пробоев. При многократных пробоях электрическая прочность жидкости уменьшается из-за образования продуктов деструкции, формирующих электропроводные каналы в межэлектродном промежутке.

Пробой твердых диэлектриков

Различают три основных формы пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой (тепловой) и электрохимический (старение изоляции).

Электрический пробой. Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией электронами узлов кристалла или аморфного диэлектрика (атомов, ионов). В результате образуется электронная лавина, и может возникнуть стример. При этом в стадии потери электрической прочности твердый диэлектрик частично разрушается. Время разряда зависит от толщины диэлектрика. При толщинах более 100 мкм скорость разряда составляет 107 – 10 8 м/с.

Такая форма пробоя имеет место при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, а механизм его развития определяется степенью однородности диэлектрика. В однородных диэлектриках (нет газовых включений) практически мгновенно развивается ударная ионизация с непосредственным разрушением структуры диэлектрика. Электрическая прочность этих диэлектриков порядка сотен кВмм . Представителями однородных диэлектриков являются: вакуум-

плотная керамика, кварцевое стекло, фторопластовые пленки и т. д. Электрический пробой неоднородных (технических) диэлектри-

ков с открытой и закрытой пористостью (бумага, картон и т. д.) также отличается быстротечностью, но начинается с пробоя воздушных

71

включений. Электрическая прочность этих диэлектриков сравнима с электрической прочностью воздушных включений. С возрастанием толщины диэлектрика электрическая прочность уменьшается из-за увеличения числа и размеров дефектов.

Электротепловой (тепловой) пробой. Тепловой пробой заклю-

чается в разрушении диэлектрика под действием нагрева вследствие диэлектрических потерь, при этом количество тепла, выделяющееся в единицу времени превышает количество тепла отводимого.

При нарушении теплового баланса создаются условия для возникновения термостарения, что ведет к увеличению диэлектрических потерь, а это ведет к дельнейшему увеличению нагрева и т. д. Таким образом, процесс приобретает лавинообразный характер, что ведет к необратимым изменениям структуры диэлектрика.

Тепловой баланс выполняется тогда, когда выделяемое тепло (Q1) равно отводимому теплу (Q2):

На рис. 4.21 изображены экспоненты тепловыделения Q1 = f(t) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплоотдачи Q2 = f(t).

Рис. 4.21. Графики, поясняющие механизм теплового пробоя твердых диэлектриков:

А— устойчивое тепловое равновесие;

В— неустойчивое тепловое равновесие

72