21 Пробой жидких и твердых диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля пре­высит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности.

Пробой жидких диэлектриков происходит в результате иони­зационных и тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посто­ронних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как элект­рическим, так и тепловым процессами, возникающими под дейст­вием поля.

Жидкие диэлектрики отличаются зна­чительно более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных усло­виях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными приме­сями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ. Представления теории электрического пробоя применяют к жид­костям, максимально очищенным от примеси. При высоких значе­ниях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и для газов, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выде­ляющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электро­дами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис, 4-6. Под влиянием электрического поля капельки воды — сильнополярной жидкости — поляризу­ются и создают между электродами цепочки с повышенной прово­димостью, по которым и происходит электрический пробой.

Па рис. 4-7 показано влияние температуры на электрическую проч­ность трансформаторного масла — чистого и содержащего некоторое ко­личество воды. Электрическая проч­ность чистого масла не зависит от температуры в пределах до 80° С, когда начинается кипение легких мас­ляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внут­ри жидкости. Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Е_пр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молеку­лярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связа­но с увеличением вязкости масла и меньшими значения­ми диэлектрической прони­цаемости льда по сравнению с водой. Твер­дые загрязнения (сажа, обрывки волокон и т. п.) иска­жают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению элект­рической прочности диэлект­рических жидкостей. Очистка жидких диэлект­риков, в частности масел, от примесей заметно повышает элект­рическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет Е_пр4 МВ/м; после тщательной очистки электри­ческая прочность масла повышается до 20—25 МВ/м.

Пробой твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электри­ческого поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия на­пряжения.

1) электрический пробой макроскопически однородных диэлек­триков является чисто электронным процессом. Идет ионизация электронами нейтральных молекул. Им обладают монокристаллы щелочных металлов. Время протекания 10^-7 —

10^-8 с. Пробой не обусловлен тепловой энергией. Для однородных материалов наблюдается разница между пробивным напряжением при разных полях (на рис. зависимость пробивного напряжения от толщины 1- однородное поле, 2- неоднородное поле).

2) электрический пробой неоднородных диэлектриков. Характерен для диэлектриков содержащих газовые включения. Время протекания 10^-7 —10^-8 с (стёкла, фарфор). Электрическая прочность не зависит от температуры до определенного этапа.

3) тепловой (электротепловой) пробой. Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

4) электрохимический пробой. При высоких напряжениях, частотах и температурах происходит процесс электрохимического старения. Характерен для органических материалов.