23. Тепловой пробой твёрдого диэлектрика

Тепловой пробой реализуется при существенно меньших напряжённостях электрического поля, чем другие виды пробоя. При этом время приложения необходимого для пробоя напряжения существенно возрастает. На рис.2.11 представлена модель в виде плоского диэлектрика толщиной d в конденсаторных обкладках.

Eпр≈10-100 кВ/мм

Eпр – напряжённость эл. поля, необходимая для теплового пробоя, когда энергия электронов, освобождаемых с поверхности электродов, будет достаточна для совершения ионизационных процессов в кристаллической решётке диэлектрика.

t >0,1 c – время приложения напряжения до пробоя

Поскольку реальный диэлектрик характеризуется конечным значением электропроводности, то при приложении напряжения в нём в соответствии с законом Джоуля-Ленца происходит тепловыделение. При наличии теплового равновесия выделяемое в диэлектрике тепло (где E–напряжённость электрического поля, S‒площадь обкладок, d–толщина диэлектрика, – угловая частота) отводится в окружающее пространство. При этом отводимая конвекцией мощность есть

,

где – коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности обкладок в окружающее пространство. В случае теплового равновесия имеем . Напряженность электрического поля в диэлектрике очевидным образом можно выразить через приложенное напряжение . При этом, если принять во внимание характерную для всех твёрдых диэлектриков возрастающую зависимость от температуры (- тангенс угла диэлектрических потерь) приходим к следующему уравнению теплового равновесия

,

Где параметром является величина приложенного напряжения. В качестве неизвестного в последнем уравнении фигурирует температура диэлектрика.

Т.к. ↑ при tᵒ↑, а пропорционально , имеет место график ниже.

,

S – площадь обкладок

α – коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности обкладок в окружающее пространство.

Рис. 2.11 К описанию теплового пробоя твёрдого диэлектрика

Условием пробоя будет являться достижение равновесной температурой величины достаточной для термической деструкции диэлектрика T_кр=T_д, либо температуры нарушения теплового равновесия T_кр=T₂ (рис. 2.11). Во втором случае выделяемая в диэлектрике тепловая мощность превосходит отводимую. Положение критической точки нарушения теплового равновесия Т₂ наряду с условием дополняется условием – точка предельного равновесия (Т₂ на графике). В обоих случаях подстановка Т_кр в последнее уравнение позволяет найти напряжение теплового пробоя

.

Из последней формулы следует, что . Характерно, что при электрическом пробое .

24. Частичные разряды в твёрдом диэлектрике. Природа и классификация частичных разрядов.

Частичные разряды – это маломасштабные разрядные явления, происходящие в дефектах твердотельной изоляции (поры, каверны, микронеровности), на поверхности твёрдого диэлектрика, неплотно соприкасающихся с электродами. Проявления коронного разряда в изоляционных конструкциях также можно отнести к частичным разрядам. Указанные дефекты всегда в том или ином количестве присутствуют в изоляционных конструкциях. Поэтому частичные разряды присутствуют в течение всего срока эксплуатации изоляции.

Частичные разряды вызывают необратимые изменения диэлектрика в местах их существования вследствие воздействия на него плазмы разряда и вызывающего химическое разложение последнего. Таким образом, частичные разряды являются основным механизмом старения изоляционной конструкции. Начальное и текущее состояние изоляционной конструкции, таким образом, можно оценивать по уровню и интенсивности частичных разрядов, которые как начальные (новая изоляционная конструкция) и критические (состояние близкое к выходу из строя или пробою изоляции). Между указанными состояниями лежит уровень и интенсивности частичных разрядов, отвечающим нормальным эксплуатационным условиям.

Рис. Схема замещения твёрдого диэлектрика с дефектом:

С₀–ёмкость бездефектной изоляции,

С_в‒ёмкость газового включения,

С_д–ёмкость диэлектриков последовательно с включением,

U_в–напряжение пробоя воздушного включения.

Рассмотрим модель единичного частичного разряда, происходящего в уединённой поре в толще диэлектрика, показанную на рисунке. Электрическую схему замещения диэлектрика в области дефекта можно представить в виде параллельного соединения емкости основного диэлектрика и части диэлектрика, содержащего дефект. При этом диэлектрик в области дефекта замещается последовательным соединением ёмкости дефекта и пропорциональной по площади повреждённого участка ёмкости диэлектрика. Поскольку пора дефекта содержит газ, а не твёрдый диэлектрик то электрическая прочность поры ослаблена и при достижении в ней достаточного напряжения в поре происходит электрический пробой. Обычно напряжения пробоя поры составляет несколько сот вольт. Ситуация пробоя моделируется разрядником, включённым параллельно ёмкости, эквивалентирующей дефект. Отметим, что напряжённость в области поры выше, чем в среднем по диэлектрику, так как диэлектрическая проницаемость газа в несколько раз ниже, чем у твёрдого диэлектрика следствие непрерывности вектора электрического смещения:

Е_в - напряжённость поля воздушной полости,

Е_д - напряжённость поля твёрдого диэлектрика,

ε_в – относительная диэлектрическая проницаемость воздушной полости,

ε_д – относительная диэлектрическая проницаемость твёрдого диэлектрика.

Формула эквивалентной ёмкости С_э:

Формула эквивалентной ёмкости С_э диэлектрика содержит ёмкость включения (поры) С_в, которая изменяется от некоторого конечного значения до бесконечности в момент пробоя включения. Поэтому скачкообразное изменение претерпевает и полная эквивалентная ёмкость от С_э:

При практических измерениях это приводит к скачкообразным изменениям напряжения, на диэлектрике.

Классификация и природа частичных разрядов:

1) Начальные ч. р. q_x = 1-10 пКл. Возникают при некотором значении напряжения U_н. Вызывают медленное (от тысячи часов до нескольких лет) разрушение изоляции. Физическая природа – электронные лавины во включениях или местах резкого усиления поля. Начальные ч. р. – неустойчивы.

2) Критические ч. р. q_x > 1000 пКл. Для критических ч. р. характерно резкое увеличение интенсивности в области U = U_к > U_н (U_к – напряжение критических ч. р.). Это сравнительно мощные стримерные разряды, разлагающие некороностойкие органические материалы с выделение газа и образование полостей и трещин. Появление критических ч.р. при эксплуатации высоковольтного оборудования недопустимо, т. к. ведет к быстрому (от нескольких секунд до нескольких минут) пробою изоляции.