МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Направление − 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Дисциплина – Техника высоких напряжений

Реферат на тему

эЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ. тЕОРИЯ фРЕЛИХА

по дисциплине «Техника высоких напряжений»

Выполнил: студент гр. 5А6А	___________________ (подпись)	Абдуллаев Б.С.
Проверил: старший преподаватель	___________________ (подпись) ___________________ (дата)	Старцева Е.В.

Томск– 2019

Оглавление

Введение 3

1.Электрический пробой твердых диэлектриков 5

2.Тепловой пробой твердых диэлектриков 9

3.Электрохимический пробой твердых диэлектриков 11

Заключение 13

Список литературы 15

Введение

Твердые диэлектрики в качестве составной части электроизоляционной системы высоковольтного оборудования играют важную роль в энергосетях всего мира. Однако, находясь под постоянным напряжением и воздействием внешних факторов, электрическая изоляция подвергается старению и утрачивает свои электроизоляционные свойства – наступает пробой. При пробое твердой составляющей изоляции оборудование выходит из строя – требуется его ремонт или полная замена [1].

С.Н. Колесов и Н.П. Богородицкий выделяют три основных вида пробоя твердых диэлектриков (рисунок 1) – электрический, тепловой и электрохимический [2, с. 129; 1, с.66].

Рисунок 1 – Основные виды пробоя твердых диэлектриков

На механизмы пробоя диэлектриков существенное влияние оказывает неоднородность их структуры, обусловленная природой исходного сырья, наличием посторонних включений и загрязнений, несовершенством процессов технологической обработки и пр. [3, c. 168].

Можно утверждать, что диэлектрики, имеющие неоднородности в своей структуре (поры, микротрещины, инородные включения), встречаются в электротехнике гораздо чаще, нежели материалы с однородной структурой.

Широта промышленного использования диэлектриков позволяет определить задачу исследования – проанализировать механизмы пробоя твердых диэлектриков и влияние неоднородности структуры диэлектрика на его прочность.

В таблице 1 приведены некоторые электрические характеристики твердой изоляции, которые могут быть востребованы в процессе ее эксплуатации.

Таблица 1 – Характеристики изоляции

Электрические	Механические	Тепловые	Химические	Прочие
; ; ; ; ; ; t = f (E, f)	; ; ; твердость; гибкость; эластичность	; ; ; теплопроводность; теплоемкость; тепловое расширение	стабильность; растворимость; действие на другие диэлектрики	удельный вес; абсорбция влаги; действие облучения; микроорганизмы и др.

Наиболее сильное влияние на электрическую прочность твердой изоляции оказывают время приложения напряжения, температура, толщина.

1. Электрический пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой твердых диэлектриков происходит, как правило, в результате перенапряжений и может протекать в диэлектриках с однородной структурой, когда практически исключено влияние тепловых процессов, электрическое старение и частичные электрические разряды в порах изоляции и на ее поверхности.

Начало исследований электрического пробоя твердых диэлектриков можно отнести к концу XVIII в. (работы В.Франца и Ван-Марума) [4, с. 103]. За свою достаточно долгую историю физика диэлектриков обогатилась большим количеством разнообразных теорий электрического пробоя, в большей или меньшей степени согласующихся с экспериментальными данными (рисунок 2).

Рисунок 2 – Основные теории электрического пробоя твердых диэлектриков

В литературе, посвященной проблеме электрического пробоя, чаще всего рассматривают теории ударной ионизации электронами [3, с. 154-158], как наиболее теоретически обоснованные и наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. В основе механизма электрического пробоя, в соответствии с теориями этой группы, лежат процессы, приводящие к лавинообразному возрастанию числа свободных электронов проводимости.

Согласно теории Хиппеля-Каллена (теории ударной ионизации медленными электронами) требуемую для ионизации энергию электроны накапливают после нескольких столкновений. Для этого энергия, теряемая электроном в результате взаимодействия с кристаллической решеткой , должна быть меньше, чем энергия, приобретаемая им в электрическом поле . Условия пробоя в теории Хиппеля-Каллена имеют вид:

,

.

В теории Фрелиха (ударной ионизации быстрыми электронами) решающую роль в пробое твердого диэлектрика играют электроны, энергия которых близка к энергии ионизации . Фрелих доказал, что с увеличением напряженности внешнего электрического поля, уменьшается энергия электронов , при которой наблюдается равновесие

При этом ускоряются электроны, значение энергии которых лежит в пределах

Эти электроны, в дополнение к быстрым, и создают ударную ионизацию. Условия пробоя твердого диэлектрика в теории Фрелиха имеют вид:

В работе Г.А. Воробьева, С.Г. Еханина и Н.С. Несмелова [5] доказано, что в щелочно-галлоидных кристаллах (NaCl и KCl) электрический пробой обусловлен именно ударной ионизацией электронами. Однако авторы отмечают, что на механизм пробоя существенное влияние оказывают дефекты и неоднородности кристаллической структуры. Электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных участках слоя диэлектрика, где под действием электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов.

Н.П. Богородицкий выделяет в качестве отдельного вида электрический пробой неоднородных диэлектриков и отмечает, что пробивные напряжения для них, как правило, невысоки [6, с. 67-69]. Пробивное напряжение неоднородного диэлектрика существенно зависит от его толщины и площади электродов. Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы электрического поля, что приводит к существенному снижению электрической прочности материала.

Электрическая прочность твердой изоляции возрастает с уменьшением ее толщины и особенно быстро – в области микронных толщин. Этот эффект используют в изоляции конденсаторов, кабелей, вводов и др. Влияние температуры наглядно иллюстрируется рисунке 3, где приведена зависимость электрической прочности фарфора от температуры.

Рисунок 3 – Зависимость пробивного напряжения от температуры для фарфора (напряжение 50 Гц)

Видно, что до температуры ~ +75 C пробивная напряженность фарфора практически не изменяется (область А). Дальнейшее увеличение температуры приводит к резкому уменьшению (область Б).

Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности:

где – напряжение, приложенное к изоляции, ;

– ток, текущий через изоляцию, А;

– температура изоляции, К;

– проводимость изоляции, См,

– диэлектрические потери в изоляции.