Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Определение электрической прочности твердых диэлектриков

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам «Материаловедение.ТКМ» и «Материаловедение»

для студентов дневной, заочной и очно-заочной форм обучения

специальностей ЭТУС-180500 и ЭПП - 100400.

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским

советом Саратовского

государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: доц. Калганова Светлана Геннадьевна

Рецензент доц. Кожевников В.Ю.

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

Тел. 52-63-81, 52-56-01

htpp : // lib.sstu.ru

Регистрационный номер……

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Цель работы: ознакомиться с методом определения электрической прочности твердых диэлектриков на выпрямленном электрическом напряжении и на синусоидальном электрическом напряжении частотой 50 Гц.

1. Основные понятия

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 10⁸ А/м², а сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя — электрической прочностью.

Рис.1. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика

На рис. 1 показана типичная зависимость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного напряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U_пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление.

В зависимости от свойств изоляции и мощности источника электрической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника — даже электрическая дуга. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить след пробоя − проплавленное, прожженное отверстие.

Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то

Е_пр = U_пр/h, (1)

где Е_пр — электрическая прочность, В/м; U_пр —- пробивное напряжение, В; h — расстояние между электродами, толщина изоляции, м

На практике пробивное напряжение удобно выражать в киловольтах, толщину диэлектрика — в миллиметрах, а электрическую прочность — в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедливы следующие соотношения: 10⁶ В/м = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

При определении Е_пр твердого диэлектрика может произойти пробой по поверхности — перекрытие образца, т. е. поверхностный пробой (рис.2). В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твердого диэлектрика. Напряжение поверхностного перекрытия зависит от свойств твердого диэлектрика, формы образца, электродов и закономерности пробоя окружающей среды.

Рис.2. Схема пробоя (1) и перекрытия (2) образца твердого диэлектрика

Э кспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и времени воздействия приложенного напряжения. Значение Е_пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от Е_пр на переменном, а также различаются значения Е_пр на импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину Е_пр влияют и другие факторы. Определение электрической прочности проводится стандартизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е_пр твердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой.

В качестве электродов могут использоваться массивные металлические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей стали, меди, латуни и других металлов; притёртые на вазелине и трансформаторном масле фольговые, напыленные в вакууме металлические, графитовые и другие электроды. Для получения в месте пробоя однородного поля диаметр D₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D₂ верхнего электрода.

В твердых диэлектриках различают следующие виды пробоя.

1. Электрический пробой, в процессе которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул; Этот вид пробоя протекает в течение 10^-8 — 10^-5 с, т.е. практически мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свободного пробега λ, электрон в электрическом поле Е приобретает энергию W = еЕλ где е — заряд электрона. Если энергия электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами, ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизирует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии W_и.

Таким образом, электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина, возникает ударная ионизация электронами в твердом теле. Плотность жидких и твердых диэлектриков больше плотности газообразных, а поэтому длина свободного пробега электронов в них меньше. Для того чтобы электрон приобрел энергию W_и, в жидком и твердом диэлектриках нужна большая напряженность электрического поля. Следовательно, в случае электрического пробоя электрическая прочность жидких и твердых диэлектриков больше, чем газообразных. Действительно, при нормальных условиях для воздуха Е_пр = 3- 10⁶ В/м, для жидких диэлектриков может достигать 10⁸ В/м, для твердых (монокристаллов) — даже 10⁹ В/м.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние проводимости и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала. В случае однородного поля и однородности структуры материала пробивные напряженности могут служить мерой электрической прочности вещества как такового. Для однородных материалов наблюдается заметная разница в значениях пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях (см. рис. 1).

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических диэлектриков, которые в подавляющем большинстве содержат газовые включения. Этот пробой развивается весьма быстро. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, наблюдающихся во внешнем однородном или неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

Значительная разница в значениях пробивного напряжения для обоих видов диэлектриков при однородном или неоднородном полях объясняется тем обстоятельством, что при более низких значениях напряжения, чем при однородном поле, для которого напряженность во всех токах одинаковая. Меньшая разница в пробивных напряжениях при однородном или неоднородном поле для неоднородных диэлектриков объясняется тем, что присутствующие в диэлектрике неоднородности, втягиваясь в электрическое поле, несколько его выравнивают.

Электрическая прочность твердых неоднородных диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого значения последней. Заметное снижение электрической прочности говорит о появлении при этих температурах механизма теплового пробоя.

Наличие пористости понижает электрическую прочность, особенно опасны газовые включения при высоких частотах. Высоким значениям электрической прочности характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений. К ним относятся слюда, стекло и другие.

2. Электротепловой пробой, обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности; его часто называют тепловым пробоем. Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота больше отводимой, то диэлектрик нагревается и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, что происходит прожог, проплавление, т. е. пробой. Время развития и величина U_пр электротеплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия (образца) и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10^-3 – 10^-2 с, т. е. во много (миллионы) раз медленнее электрического. Значение Е_пр составляет до 10⁷ В/м.

3. Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³ – 10⁸ с и называется временем жизни τ_ж диэлектрика. С увеличением напряжения или температуры τ_ж, как правило, уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях, значительно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика.

Возможны и другие разновидности механизмов пробоя, которые имеют место в этих трех типах пробоя, как отдельные стадии развития процесса потери электрической прочности. Различают ионизационный, электромеханический, электротермомеханический механизмы пробоя.