4.3. Диэлектрические потери в различных видах диэлектриков.

В газообразных диэлектрикахв слабых электрических полях потери являются следствием только тока сквозной проводимости. Потери практически не зависят ни от температуры, ни от частоты напряжения.tg δ может быть вычислен по формуле (4). С учетом ρ = 10¹⁷Ом∙м, для напряжения промышленноqчастоты получимtg δ ≈ 10^-8.

(4)

Однако в сильных электрических полях потери в газах могут увеличиваться на несколько десятичных порядков в результате поглощения энергии, расходуемой на ионизацию газов.

В жидких неполярных диэлектриках(трансформаторное масло) диэлектрические потери обусловлены только сквозной проводимостью и имеют небольшие значенияtg δ ≈ 10^-4. Это значение практически не зависит от температуры, но существенно зависит от количества примесей.

В жидких полярных диэлектриках(хлордифенилы) диэлектрические потери обусловлены как сквозной проводимостью, так и дипольно-релаксационной поляризацией. Для них характерны большие значенияtg δ ≈ 10^-2- 10^-3. В случае дипольно-релаксационной поляризацииtg δ при нагревании имеет локальный максимум. Дальнейшее нагревание диэлектрика вновь приводит к ростуtg δ за счет увеличения тока сквозной проводимости. При большом содержании примесей дипольно-релаксационный максимум потерь может быть полностью замаскирован потерями от токов сквозной проводимости.

В твердых диэлектриках, отличающихся большим разнообразием вариантов структуры и химического состава, зависимостьtg δ от температуры, амплитуды и частоты напряжения могут носить достаточно сложный характер. Например, в полиэтилене могут наблюдаться три релаксационных максимума в зависимостиtg δ(Т), обусловленных дипольно-сегментальной поляризацией. На величину диэлектрических потерь полимеров существенно влияют полярность и пористость материала и относительная влажность воздуха. При накоплении влаги в порах изоляции возникает миграционная поляризация, которая приводит к существенному увеличению потерь, особенно на низких частотах. Например, бумага – полярный сильнопористый материал, при влажности 0% имеетtg δ = 7∙10^-3, а при влажности 8% имеемtg δ = 4.

Тема 5. Пробой диэлектриков.

5.1. Определение и основные понятия

В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами.

Изоляционный промежуток- устройство, или элемент устройства, содержащий электропроводные элементы с диэлектриком между ними. При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает новое физическое явление - электрический пробой промежутка.

Электрический пробой - образование под действием высокого напряжения электропроводного плазменного канала в диэлектрике между электродами изоляционного промежутка. Диэлектрик при некотором значении электрического поля утрачивает электроизоляционные свойства, так как в диэлектрике образуется канал проводимости, состоящий из ионов и электронов. Напряжение между электродами уменьшается до нуля за счет разряда заряженной емкости диэлектрика через образовавшийся электропроводный канал. Следствием пробоя является ток короткого замыкания Iкз, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Действие тока короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика – образуется сквозное проплавленное отверстие.

После отключения изоляционного промежутка с жидким или газообразным диэлектриком от источника напряжения канал разряда в жидкости и в газе вследствие подвижности молекул исчезает и по прошествии некоторого времени напряжение можно снова подавать на устройство. Электрическая изоляция этих материалов восстанавливается. В твердых диэлектриках канал разряда разрушает сам материал и не происходит самовосстановления. Напряжение на устройстве практически невозможно подать после единичного пробоя. Изделие с пробитой изоляцией эксплуатировать нельзя из-за практически мгновенного повторного пробоя изоляции, но уже при более низком напряжении.

Напряжение, при котором происходит электрический пробой промежутка называется электрической прочностью промежутка.

Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Uпр, а напряженность электрического поля в этом случае характеризуетэлектрическую прочность Eпр диэлектрика.Электрическая прочность диэлектрика - это минимальная напряженность приложенного электрического поля, при котором происходит пробой.

Для случая плоскопараллельного электрического поля Епр = Uпр/h,гдеh- толщина диэлектрика в месте пробоя.

Единица измерения электрической прочности в СИ = [В∙м], на практике чаще используют техническую единицу измерения – [кВ∙мм] = 10⁶[В∙м]

Электрическая прочность Епрдиэлектриков зависит от большого количества факторов: в первую очередь от степени однородности диэлектрика (у твердых диэлектриков – от количества и размера пор, у жидких – от числа частиц нерастворенной примеси, у воздуха – микрокапли влаги), от химического строения и состава материала, от формы и расстояния между электродами, от типа и характеристик воздействующего напряжения и других показателей.

На сегодняшний день нет теории, которая бы учитывала одновременное влияние всех указанных факторов на механизм пробоя и с помощью которой можно было бы определять Епрдля любых диэлектриков. Поэтому основным методом определения электрической прочности является экспериментальный.

Различают полныйпробой, когда канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому,неполныйпробой, когда канал проводимости не достигает одного из электродов (например, коронный разряд), ичастичный, когда пробой происходит в газовых или жидких включениях (порах) твердой изоляции.

При совместном использовании диэлектриков, находящихся в разных агрегатных состояниях, пробой может происходить по границе раздела фаз. Такой пробой называют поверхностным пробоем(перекрытием). Практически чаще всего идет речь о поверхности изолятора, находящегося в воздухе. Напряжение поверхностного разряда в таких случаях как правило всегда ниже, чем электрическая прочность воздуха.