Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
больших значений пробивных напряжений, ГОСТ допускается применение
6
внесистемной единицы измерения, равной кВ/мм. 1 кВ/мм = 10
В/м.
Если на диэлектрик воздействует внешнее однородное электрическое по-
ле, то электрическая прочность представляет собой напряженность поля,
при которой происходит пробой.
В неоднородных электрических полях электрическая прочность пред-
ставляет собой некоторое усредненное значение напряженности электрического
поля, при которой происходит электрический пробой.
В зависимости от механизма и причин возникновения различают следу-
ющие виды пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.
Электрический пробой связан с развитием процессов ударной и фотонной
ионизации, возникающих в сильных электрических полях и приводящих к
быстрому росту концентрации свободных носителей электрических зарядов и
скачкообразному увеличению электрического тока в месте пробоя при превышении значения напряженности электрического поля, равного электрической
прочности диэлектрика.
Тепловой пробой возникает под воздействием тепловой энергии, выде-
ляющейся в диэлектриках за счет диэлектрических потерь или поступающей
от посторонних источников тепловой энергии.
Электрохимический пробой возникает при длительной эксплуатации ди-
электриков в электрических полях и связан с изменением их химического состава.
Более подробно каждый из видов пробоя диэлектриков рассмотрен в по-
следующих параграфах.
1.8.2. Пробой газообразных диэлектриков
В газообразных диэлектриках пробой является электрическим и обуслов-
лен развитием процессов ударной и фотонной ионизации под воздействием
сильных электрических полей.
В любом газообразном диэлектрике содержится малое количество поло-
жительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в хаотическом
тепловом движении. Под воздействием электрического поля эти частицы начинают перемещаться либо в направлении напряженности поля (положительные
ионы), либо в направлении, противоположном ей (электроны, отрицательные
ионы).
51
При этом каждая из частиц получает добавочную энергию за счет элек-
λЧ
U
q
W
⋅
=
λ
U
λ
λ
⋅= ЕU
λ
λ
Ч
⋅⋅= EqW
ИМ
Ч
WW ≥
λ
трического поля, где
цы;
нородном электрическом поле
ного поля;
приобретенная частицей в результате воздействия электрического поля, вычисляется по формуле:
нейтральной молекулой. Если при этом энергия заряженной частицы оказывается больше энергии ионизации нейтральной молекулы газообразного диэлектрика, то последняя расщепляется на электрон и положительно заряженный
— разность потенциалов на длине свободного пробега частицы. В од-
— длина свободного пробега частицы.
Таким образом, в однородном электрическом поле добавочная энергия,
В конце пути свободного пробега заряженная частица сталкивается с
— электрический заряд заряженной части-
, где Е — напряженность однород-
. (1.36)
ион. Этот процесс получил название процесса ударной ионизации.
Условие возникновения процесса ударной ионизации описывается нера-
венством
Так как
ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, называемой начальной напряженностью (Е
В ряде случаев столкновение заряженной частицы с нейтральной молеку-
лой может не ионизировать последнюю, а привести ее в возбужденное состояние. Через некоторый промежуток времени возбужденная молекула испускает
фотон, отдавая при этом избыточную энергию. Фотон поглощается другой
нейтральной молекулой, которая в этом случае ионизируется, расщепляясь
на электрон и положительно заряженный ион. Такая ионизация называется фотонной. Фотонная ионизация приводит к быстрому развитию канала пробоя
в газообразном промежутке.
Развитие процессов ударной и фотонной ионизации при напряженности
и q для каждого из газообразных диэлектриков постоянны, то
.
).
н
электрического поля, большей, чем начальная, приводит к резкому возрастанию
количества свободных носителей электрических зарядов и возникновению двух
встречных потоков разноименно заряженных частиц в канале пробоя.
В результате пробоя пространство, занимаемое каналом пробоя, заполне-
но движущимися заряженными частицами газа. Такое состояние газообразного
диэлектрика получило название газоразрядной плазмы.
52
За счет фотонной ионизации пробой газов осуществляется практически
пр50
пр
β
U
U
=
пр
U
пр50
U
λ
ИМ
⋅
=
q
W
E
h≥λ
hq
W
E
⋅
=
ИМ
н
мгновенно.
При кратковременном воздействии электрического поля напряжение про-
боя диэлектрика выше, чем при длительном. Повышение пробивного напряжения характеризуется коэффициентом импульса:
, (1.37)
где
напряжении частотой 50 Гц.
Значения коэффициента импульса находятся в диапазоне от 1 до 1,5.
Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от расстоя-
ния между электродами или толщины диэлектрика. С ростом толщины диэлектрика его электрическая прочность уменьшается, а пробивное напряжение увеличивается. Это объясняется тем, что при малых расстояниях между электродами затрудняется возникновение процесса ударной ионизации. Это наглядно
видно из анализа уравнения (1.36).
Решив уравнение (1.36) относительно величины Е и заменив Е на Е
лучим равенство:
— пробивное напряжение при данной длительности импульса;
— пробивное напряжение при постоянном или переменном
н
.
, по-
При малых расстояниях между электродами, когда
. (1.38)
Из уравнения (1.38) видим, что чем меньше толщина газообразного ди-
электрика, тем больше начальная напряженность электрического поля, при которой энергия движущейся заряженной частицы обеспечивает ионизацию молекулы газообразного диэлектрика и возникновение процессов ударной и фотонной ионизации.
53
, можно записать:
Электрическая прочность газообразного диэлектрика зависит от давления
газа.
В области малых давлений вероятность столкновения заряженной части-
цы с нейтральной молекулой незначительна, что затрудняет развитие процессов
ударной и фотонной ионизации. В связи с этим электрическая прочность газа
в области низких давлений велика. С ростом давления плотность молекул газа
увеличивается, растет вероятность столкновения заряженных частиц с молекулами газа, что способствует развитию процесса ударной ионизации и уменьшению электрической прочности газообразного диэлектрика. При сверхвысоких
давлениях электрическая прочность газа снова начинает расти из-за уменьшения длины свободного пробега согласно уравнению (1.38).
Существенное влияние на электрическую прочность оказывает характер
электрического поля (однородное или неоднородное). Однородное электрическое поле создается в пространстве между плоскими или сферическими электродами, если расстояние между ними меньше радиуса сферы. Неоднородное
электрическое поле возникает в пространстве между двумя игольчатыми электродами или иглой и плоскостью. Неоднородное электрическое поле возникает
также между двумя полусферами, когда расстояние между ними больше радиуса сферы.
Меньшее значение электрической прочности газообразных диэлектриков
в неоднородных электрических полях, по сравнению с электрической прочностью в однородных полях объясняется тем, что при одной и той же разности
потенциалов между электродами напряженность поля в точках, расположенных
на кратчайшем расстоянии между двумя электродами, в неоднородных полях
значительно выше, чем напряженность однородного электрического поля. Следовательно, электрический пробой газообразного диэлектрика в неоднородном
электрическом поле произойдет при меньшем напряжении, приложенном
к электродам, чем в однородном поле.
Электрическая прочность газообразного диэлектрика зависит от полярно-
сти электродов типа «игла-плоскость», «игла-сфера».
При положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем
напряжении, чем при обратной полярности, Это явление объясняется тем, что
ионизация газа начинается в районе кончика иглы, независимо от ее полярности, так как именно в этой области напряженность поля максимальная. При положительной полярности иглы у ее кончика возникает отрицательный объемный заряд из положительно заряженных ионов газа, который как бы является
54
продолжением иглы, способствуя уменьшению длины газообразного промежутка и соответствующему уменьшению пробивного напряжения.
При отрицательной полярности иглы образовавшийся объемный положи-
тельный заряд как бы экранизирует иглу, препятствуя перемещению электро-
нов от иглы к поверхности положительно заряженной плоскости или сферы.
Наличие экрана из положительно заряженных ионов около кончика иглы и
приводит к возрастанию пробивного напряжения при отрицательной полярности иглы, по сравнению с пробивным напряжением при обратной полярности
иглы.
1.8.3. Пробой твердых диэлектриков
В твердых диэлектриках могут возникать четыре вида пробоя:
– электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-
триков;
– электрический пробой макроскопически неоднородных твердых ди-
электриков;
– тепловой (электротепловой) пробой;
– электрохимический пробой.
Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-
триков развивается аналогично электрическому пробою в газообразных диэлектриках в результате осуществления процесса ударной ионизации, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих разогрев диэлектрика.
В связи с этим зависимости электрической прочности и пробивного
напряжения твердых диэлектриков от толщины и конфигураций электродов
аналогичны таким же зависимостям для газообразных диэлектриков.
Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических диэлектриков, в структуре которых имеются поры и капилляры, заполненные газообразным диэлектриком. Чаще всего таким газообразным диэлектриком является воздух. Так как электрическая прочность воздуха значительно меньше электрической прочности твердых диэлектриков, то наличие
капилляров и пор в структуре твердых диэлектриков обусловливает значительно меньшую электрическую прочность неоднородных диэлектриков по сравнению с однородными.
55
С ростом толщины неоднородного твердого диэлектрика наблюдается
)(σtgδω
0раб
2
ttSCU −⋅=⋅⋅⋅
tgδ
σ
1W
P
t
P
)(
1
tfP
W
=
)(
1
tfP
W
=
уменьшение его электрической прочности, так как возрастает количество газовых включений.
1.8.4. Электротепловой пробой
Электротепловой (тепловой) пробой связан с разогревом материала
в электрическом поле за счет возрастания сквозной электропроводности и диэлектрических потерь, приводящих к потере изоляционных свойств материала.
Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля,
условий охлаждения, температуры окружающей среды и т.п.
Установившийся температурный режим возникает тогда, когда выделение тепла в изоляционном материале равняется теплоотдаче в окружающую
среду. Этот режим описывается следующим уравнением:
где U — напряжение на электродах;
ω — угловая частота;
С — емкость изоляционного материала;
— тангенс угла диэлектрических потерь изоляционного материала;
— коэффициент теплоотдачи;
S — поверхность изоляционного материала;
t
— температура изоляционного материала;
раб
t
— температура окружающей среды.
0
На рис. 1.15 построены зависимости мощности диэлектрических потерь
и мощности теплоотдачи
от температуры.
Как видно из рис. 1.15, зависимость
чения с прямой
и, следовательно, два установившихся режима
, (1.39)
имеет две точки пересе-
при t
1раб
и t
. Учитывая, что в условиях эксплуатации не исключается допол-
1кр
нительный разогрев изоляционного материала за счет посторонних источников
тепловой энергии, рабочая температура может случайно возрасти. Если с учетом возможного возрастания установится соотношение t
раб
< t
, то тепловой
1кр
пробой не произойдет, так как количество тепла, выделяемое внутри диэлектрика, возрастает медленнее, чем увеличивается теплоотдача. Если за счет до-
56
полнительного нагрева установится соотношение t
)(
1
tfP
W
=
P
t
1
2
3
P
W2
P
W1
t
0
t
1раб
t
2раб
t
1кр
Ct °,
P
W
раб
> t
то количество тепло-
1кр
вой энергии, выделяемой в изоляционном материале, превысит теплоотдачу, и
температура будет расти до полного разрушения диэлектрика. С ростом напряже-
ния зависимость
смещается вверх (кривая 3, полученная при U2 > U1).
При тех же самых условиях охлаждения повышение напряжения приводит к
росту рабочей температуры t
t
1кр
> t
2кр
.
2раб
> t
и уменьшению критической температуры
1раб
Рис. 1.15. Зависимости мощности диэлектрических потерь и
мощности теплоотдачи изоляционного материала
от температуры
Таким образом, как видно из рис. 1.15, увеличение напряжения приводит
к возрастанию рабочей температуры за счет роста количества тепла, выделяемого в материале.
Выделение тепловой энергии вследствие диэлектрических потерь приво-
дит к уменьшению электрической прочности диэлектрика.
Уменьшение электрической прочности при электротепловом пробое объ-
ясняется, с одной стороны, разрушением структуры строения изоляционного
материала (растрескивание, обугливание и т.д.), когда рабочая температура
превышает критическую, с другой — электрическая прочность при электротепловом пробое меньше, чем при электрическом, даже в том случае, когда рабочая температура не превышает критической температуры. Такое явление
можно объяснить следующим образом. С ростом температуры изоляционного
материала увеличивается кинетическая энергия заряженных частиц и нейтральных молекул твердого диэлектрика. Возрастание энергии молекул приводит к
тому, что полю необходимо сообщить меньшую дополнительную энергию
57
движущейся заряженной частице, чтобы последняя ионизировала нейтральную
U
пр
U
р1
t
н1
t
э
t
н2
t
молекулу при столкновении с ней. И, следовательно, выполнение условия развития ударной ионизации наступает при меньшем напряжении, подаваемом на
электроды.
1.8.5. Электрохимический пробой
Электрохимический пробой диэлектрика заключается в том, что при воз-
действии постоянных и переменных электрических полей в диэлектрике происходят электролитические процессы, приводящие к изменению химического состава и уменьшению электрической прочности. Уменьшение электрической
прочности приводит с течением времени к электрическому пробою. Этот процесс называется старением диэлектрика и наблюдается как в диэлектриках органического происхождения, так и в некоторых неорганических диэлектриках.
Процесс старения диэлектриков требует длительного времени. Уменьшение
электрической прочности при старении диэлектрика приводит к сокращению
срока службы электронного и электрического оборудования. График зависимости пробивного напряжения изоляции от времени приведен на рис. 1.16.
Рис. 1.16. Зависимость пробивного напряжения
изоляции от времени
Допустим, что необходимо обеспечить длительность эксплуатации элек-
тротехнического устройства, равную t
. Если рабочее напряжение, воздейству-
э
ющее на изоляцию, равно U
тервал времени, равный t
н1
, то произойдет электрический пробой через ин-
р1
< tэ. Таким образом, устройство выйдет из строя че-
рез меньший отрезок времени, чем расчетная длительность эксплуатации.
58
Если снизить рабочее напряжение до U
, то пробой изоляции с учетом
р2
старения произойдет через отрезок времени t
> tэ, и пробой изоляции не ока-
н2
жется причиной выхода устройства из строя.
Электрическое старение изоляции
при длительном воздействии рабочего напряжения
Длительное воздействие рабочего напряжения аппарата определяет спо-
собность его изоляции выдержать влияние всевозможных факторов за время
всего срока эксплуатации и численно оценивается электрической прочностью
через 20–30 лет путем испытания изоляции повышенным напряжением частотой 50 Гц в течение 1 мин. Длительная эксплуатация изоляции приводит к ее
старению, снижению электрической прочности и ухудшению электрических
характеристик (диэлектрической проницаемости и потерь). Причинами изменения этих характеристик являются: электрическое старение вследствие развития
частичных пробоев при перенапряжениях (грозового и внутреннего характера)
или при рабочем напряжении; тепловое старение и окисление изоляции; увлажнение изоляции, а также причины механического характера (электродинамические толчки при коротких замыканиях, вибрации и т.п.); химическое старение
или электролитическое окисление. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что приводит в дальнейшем к ее пробою. Основной причиной электрического старения является развитие частичных пробоев,
энергия которых тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, нагрев
диэлектрика и излучение электромагнитных колебаний. Необратимое частичное разрушение диэлектрика накапливается, создавая кумулятивный эффект
в изоляции, на что тратится несколько процессов всей энергии частичных пробоев. Характер и степень разрушения в твердом диэлектрике связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов или обратных процессов:
образование молекул или присоединение радикалов. В органических диэлектриках частичные пробои вызывают выделение водорода или других газов (метан, ацетилен, углекислый газ и др.), а также углеродистых соединений со значительной проводимостью (дендриты в эпоксидном образующем термореактивной изоляции, эрозия или углекислые образования по поверхности
керамической, фарфоровой или стеклянной изоляции). Во многих случаях явление частичных пробоев может вызвать микротрещины в диэлектрике.
Старение маслобарьерной и бумажной изоляции проявляется в изменении
электрических и физико-химических характеристик как самого минерального
59
масла, так и бумаги или электрокартона. При этом проводимость и диэлектрические потери увеличиваются, в дальнейшем старение завершается электрическим или тепловым пробоем изоляции аппарата. Газовыделение в масле связано
с действием сильного электрического поля (около 3 ЭВ), достаточного, чтобы
свободные электроны разрушили молекулу углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения при наличии частичных пробоев или
в его отсутствие зависит от химического состава масла, поэтому количество
трансформаторного масла определяется месторождением нефти, возможными
присадками и его очисткой [2].
Тепловое старение диэлектрика связано с рабочей температурой аппара-
та. Возможность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит химическое старение и осуществляется процесс химических реакций. Например, при повышении температуры химическое разложение целлюлозы характеризуется
уменьшением степени полимеризации, при этом укорачиваются цепочки молекул, уменьшается гибкость и механическая прочность бумаги и картона.
Изоляционная конструкция во многих аппаратах в рабочем режиме со-
прикасается с воздухом, при этом возможно увлажнение. Процесс увлажнения
масла в трансформаторах может быть от трех агрегатных состояний влаги:
эмульгированное (пленка), молекулярнорастворенное (диполи) и газообразное
(молекула влаги в газовой полости). Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворимостью обладают непредельные и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые. Наличие воды в масле
снижает его электрическую прочность и увеличивает диэлектрические потери.
Причем влияние воды сильнее сказывается, когда оно находится в эмульгированном состоянии, чем в молекулярнорастворимом.
Влажность увеличивает скорость термического старения, способствует
разрушению молекул органического диэлектрика, ухудшает физико-технические характеристики.
1.8.6. Качество изоляции
Качество технической изоляции определяется не только культурой про-
изводства, но и налаженной службой контроля или проверки соответствия качества изоляции ГОСТу или заводским нормам. Контроль за качеством изоляции на производстве при изготовлении и выпуске электротехнического оборудования и профилактика изоляции в эксплуатации направлены на выявления ее
60