Что такое пробой диэлектрика

Какими бывают виды пробоя диэлектриков

Прежде чем рассматривать механизмы пробоя диэлектриков, постараемся выяснить особенности этих материалов. Электроизоляционные материалы — это вещества, которые позволяют изолировать части электрического оборудования или элементы цепи, что имеют разные значения электрических потенциалов.

Особенности материалов

В сравнении с проводниковыми материями, у изоляторов показатель электрического сопротивления существенно выше. Типичным свойством этих материалов считают создание мощных электрических полей, а также накопление энергии. Такое свойство широко применяется в конденсаторах.

Классификация

По агрегатному состоянию все электроизоляционные материалы подразделяют на жидкие, газообразные, твердые. Самой масштабной является последняя группа диэлектриков. К ним относятся пластмассы, керамические изделия, высокополимерные материалы.

В зависимости от химического состава, электроизоляционные материалы подразделяют на неорганические и органические.

В качестве основного химического элемента в органических изоляторах выступает углерод. Максимальные температуры выдерживают неорганические материалы: керамика, слюда.

В зависимости от способа получения диэлектрики принято разделять на синтетические и природные (естественные). Каждый из видов имеет определенные особенности. В настоящее время многочисленной группой являются синтетические вещества.

Твердые диэлектрические материалы дополнительно подразделяют на отдельные подкатегории по структуре, составу, технологическим характеристикам материалов. Например, существуют воскообразные, керамические, минеральные, пленочные изоляторы.

Для всех этих материалов характерна электрическая проводимость. С течением времени у подобных веществ наблюдается изменение значения тока из-за снижения тока абсорбции. С определенного момента в электроизоляционном материале существует только ток проводимости, от величины которого и зависят свойства данного материала.

Особенности процесса

Если напряженность электрического поля имеет большее значение, чем предел электрической прочности, возникает пробой диэлектрика. Это процесс его разрушения. Он приводит к потере в месте пробоя таким материалом его первоначальных электроизоляционных характеристик.

Пробивное напряжение — это величина, при которой наступает пробой диэлектрика.

Электрическая прочность характеризуется значением напряженности поля.

Пробой твердых диэлектриков является электрическим либо тепловым процессом. В его основе находятся явления, которые приводят к лавинному возрастанию в твердых изоляционных материалах величины электрического тока.

Пробой твердых диэлектриков имеет характерные признаки:

• отсутствие или слабая зависимость от температуры и напряжения величины проводимости;
• электрическая прочность материала в однородном поле независимо от толщины используемого диэлектрического материала;
• узкие пределы механической прочности;
• сначала ток возрастает по экспоненциальному закону, а пробои твердых диэлектриков сопровождаются скачкообразным возрастанием тока;
• в неоднородном поле этот процесс возникает в месте с максимальной напряженностью поля.

Тепловой пробой

Он появляется при больших диэлектрических потерях, подогреве материала иными источниками тепла, при некачественном отводе тепловой энергии.

Такой пробой диэлектрика сопровождается нарастанием электрического тока в результате резкого снижения сопротивления на участке, где нарушена проводимость тепла.

Подобный процесс наблюдается до того времени, пока не возникнет полное термическое разрушение диэлектрика в ослабленном месте. Например, произойдет расплавление исходного твердого электроизоляционного материала.

Признаки

Пробой диэлектрика имеет характерные признаки:

• возникает в месте некачественного отвода тепла в окружающую среду;
• пробивное напряжение при повышении температуры внешней среды уменьшается;
• электрическая прочность обратно пропорциональна толщине диэлектрического слоя.

Общая характеристика

Охарактеризуем основные виды пробоя диэлектриков. Суть процесса заключается в потере электроизоляционным материалом своих характеристик при превышении критического значения напряженности электрического поля. Существует несколько видов этого процесса:

• электрический пробой диэлектрика;
• тепловой процесс;
• электрохимическое старение.

Электрический вариант возникает в результате ударной ионизации отрицательными электронами, появляющейся в мощном электрическом поле. Этот процесс сопровождается резким возрастанием плотности тока.

Причиной теплового процесса в изоляторе является увеличение количества выделяемого системой тепла из-за воздействия электропроводности или в результате диэлектрических потерь. Результатом такого пробоя является термическое разрушение электроизоляционного материала.

Когда меняется напряжение пробоя диэлектриков, происходят преобразования в структуре электроизоляционного материала, а также меняется химический состав диэлектрика. В результате наблюдается необратимое снижение изоляционного сопротивления. При этом происходит электрическое старение диэлектрика.

В газообразной среде

Как происходит пробой газообразных диэлектриков? В воздушных промежутках из-за космического и радиоактивного излучения существует незначительное количество заряженных частичек.

Происходит разгон отрицательных электронов в поле, в результате чего они приобретают дополнительную энергию, величина которой напрямую зависит от напряженности поля и средней длины пробега частицы до соударения. При значительной величине напряженности наблюдается нарастание потока электронов, что вызывает пробой промежутка.

На данный процесс оказывает влияние несколько факторов. Самым важным из них является вариант поля. Существует прямая связь электрической прочности газа с давлением и температурой.

Жидкая среда

Пробой жидких диэлектриков связан с величиной чистоты электроизоляционного материала. Выделяют три степени:

• содержание в диэлектрике твердых механических загрязнений и эмульсионной воды;
• технически чистые;
• тщательно очищенные и дегазированные.

В очищенных тщательным образом жидких диэлектриках существует лишь электрический вариант пробоя. Из-за существенного различия в плотностях жидкости и газа длина пробега электрона снижается, что приводит к повышению пробивной напряженности.

В современной электроэнергетике применяют технически чистые виды жидких диэлектриков, допускается лишь незначительное присутствие в них примесей.

Необходимо учитывать, что даже минимальное количество эмульсионной воды, находящейся в жидком электроизоляционном материале, вызывает сильное снижение электрической прочности.

Таким образом, электрическая прочность и пробой диэлектриков — это связанные между собой величины. Рассмотрим механизм пробоя в жидкой среде. Капли эмульсионной воды поляризуются в электрическом поле, затем они попадают в пространство между полярными электродами. Здесь происходит их деформация, сливание, при этом образуются мостики, имеющие небольшое электрическое сопротивление. Именно по ним и происходит пробой. Появление мостиков вызывает существенное снижение прочности масла.

Особенности электроизоляционных материалов

Рассмотренные виды пробоя твердых диэлектриков нашли свое применение в современной электротехнике.

Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторное и конденсаторное масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.

Минеральные масла получают в результате фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим характеристикам.

Например, кабельное и конденсаторное масла имеют высокую степень очистки, поэтому обладают прекрасными диэлектрическими характеристиками. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первой проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила. Эта прозрачная вязкая жидкость обладает токсичностью, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при проведении работ с таким диэлектриком необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности.

Совтол — это смесь трихлорбензола и совола, поэтому для данного электроизоляционного материала характерно более низкое значение вязкости.

Обе синтетические жидкости применяют для пропитки современных бумажных конденсаторов, установленных в промышленных устройствах переменного и постоянного тока.

Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Высокими диэлектрическими характеристиками обладает янтарь, натуральный каучук.

У воскообразных материалов, например церезина и парафина, четко выражена температура плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическое строение.

В современной электротехнике востребованы пластмассы, являющиеся композиционными материалами. В их составе есть полимеры, смолы, красители, стабилизирующие вещества, а также пластифицирующие компоненты. В зависимости от отношения к нагреванию, их подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.

Для работ в воздушной среде применяют электрокартоны, у которых более плотная структура в сравнении с обычным материалом.

Среди слоистых электроизоляционных материалов, имеющих диэлектрические характеристики, выделим текстолит, гетинакс, стеклотекстолит. Эти слоистые пластмассы, в которых в качестве связующего вещества выступают кремнийорганические или резольные смолы, являются прекрасными диэлектриками.

Причины явления

Существуют различные причины возникновения пробоя диэлектриков. Поэтому до сих пор нет универсальной теории, которая бы полностью объясняла этот физический процесс.

Независимо от варианта изоляции в случае пробоя образуется канал особой проводимости, величина которой приводит к короткому замыканию в этом электротехническом устройстве.

Какие последствия будет иметь подобный процесс? Велика вероятность аварийной ситуации, в результате чего электротехническое устройство будет выведено из эксплуатации.

В зависимости от системы изоляции, пробой может иметь различные проявления. Для твердых диэлектриков у канала сохраняется значительная проводимость даже после выключения тока. Для газообразных и жидких электроизоляционных материалов свойственна высокая подвижность заряженных электронов. Поэтому наблюдается мгновенное восстановление канала пробоя, произошедшее из-за изменения напряжения.

В жидкостях пробой вызывается различными процессами. Сначала формируются оптические неоднородности в пространстве между электродами, в этих местах жидкость теряет свою прозрачность. Теория А. Геманта пробой жидкого диэлектрика рассматривает в качестве эмульсии. По расчетам, проведенным ученым, из-за действия электрического поля капли влаги приобретают форму вытянутого диполя. В случае высокой напряженности поля происходит их объединение, что способствует разряду в образовавшемся канале.

При проведении многочисленных экспериментов удалось установить, что если в жидкости есть газ, то при резком увеличении напряжения до пробоя будут появляться пузырьки. При этом снижается величина пробивного напряжения таких жидкостей с уменьшением давления либо при повышении температуры.

Заключение

Современные диэлектрические материалы совершенствуются по мере развития электротехнической промышленности. В настоящее время технология создания разных видов диэлектриков настолько модернизировалась, что можно создавать недорогие диэлектрики с высокими эксплуатационными характеристиками.

Среди самых востребованных материалов, обладающих соответсвующими характеристиками, особый интерес представляют стекла и стеклоэмали. Установочные, щелочные, ламповые, конденсаторные, иные виды этого материала представляют собой вещества аморфного строения. При добавлении в смесь оксидов кальция, алюминия можно улучшить диэлектрические показатели материала, снизить вероятность пробоя.

Стеклоэмали являются материалами, в которых на поверхность металла нанесен тонкий слой стекла. Подобная технология обеспечивает надежную его защиту от коррозии.

Все материалы, обладающие электроизоляционными характеристиками, нашли широкое применение в современной технике. Если своевременно предупредить пробой диэлектрика, вполне можно предотвратить порчу дорогостоящего оборудования.

Источник: https://autogear.ru/article/336/060/vidyi-proboya-dielektrikov/

Что такое электрическая прочность изоляции

Диэлектрик – это вещество, не проводящее электрический ток (или очень плохо проводящее). Существует такое понятие как «пробой изоляции», простыми словами, когда диэлектрик начинает проводить электричество (то есть становится проводником) происходит пробой.

А происходит пробой в случае превышения определенного значения напряженности электрического поля вещества. Вот как раз значение напряженности электрического поля, при котором это происходит и есть величина электрической прочности, для каждого вещества существует определенный порог.

В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик что такое электрическая прочность изоляции и почему она может уменьшаться.

Физический смысл

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.

Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике.

Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении.

Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы.

В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции.

Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура.

При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени.

Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

Или определяется по формуле:

Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Материалы по теме:

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-elektricheskaya-prochnost-izolyacii.html

Электрический пробой диэлектриков

Физика > Диэлектрики и их пробои

Читайте, что такое диэлектрический пробой: переход диэлектрика в проводники, способность изолировать, причины электрического пробоя диэлектриков, формула.

Диэлектрический пробой – явление, где у диэлектрика пропадает способность изолировать. Он получает функции проводника.

Задача обучения

• Выяснить, что может привести к диэлектрическому пробою.

Основные пункты

• Если есть достаточное напряжение, то все изоляторы способны испытать диэлектрический пробой и трансформироваться в проводники.
• В большинстве случаев нельзя вычислить точное напряжение пробоя.
• Примером диэлектрического пробоя выступает обычная молния, потому что воздух не способен разделить разность потенциалов межу облаками и точкой удара молнии.

Термины

• Диэлектрик – изолирующий или непроводящий материал, изучаемый с позиции его электрической восприимчивости.
• Проводник – материал с подвижными электрическими зарядами.
• Пробой – механический сбой.

При электрическом пробое диэлектрик больше не способен изолировать и трансформируется в проводник. Часто их используют для изоляции проводников от меняющегося внешнего окружения, либо для изоляции проводников между собою.

Изолятор не способен проводить электричество, но иногда ситуация меняется.

Достаточно крайне высокого напряжения и изолятор потеряет свои свойства. Эту точку именуют пробивным напряжением. Пробой – скорее концепция, а не нечто научное, потому что напряжение пробоя нельзя точно вычислить. В качестве отказа берут вероятностный элемент, из-за которого диэлектрик способен пережить пробой в любом диапазоне напряжений.

Нужно также учитывать характер напряжения, применяемый для индукции пробоя. Короткие импульсы используют для стресс-тестирования, чтобы имитировать удары молнии. Если в качестве диэлектрика берут газ, то надежное уравнение:

(А и В – постоянные, зависящие от окружающего газа, р – давление газа, d – дистанция между электродами, а γse – коэффициент вторичной эмиссии электронов). Газообразные диэлектрики обычно переживают распад в природе (например, молния).

Структура в плексигласе напоминает дерево и начинается от точки удара. Ток рассеивается в разных направлениях, формируя ветви

Читайте нас на Яндекс.Дзен

Источник: https://v-kosmose.com/fizika/dielektriki-i-ih-proboi/

1.4. Пробой диэлектриков. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

1.4.1. Общая характеристика пробоя

1.4.2. Пробой газов

1.4.3. Пробой жидких диэлектриков

1.4.4. Пробой твердых диэлектриков

1.4.1. Общая характеристика пробоя

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение.

Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр).

Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Епр = Uпр/h, (1.25) где h – толщина диэлектрика.

Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.

Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации 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.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному и резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

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.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля – электрохимический пробой.

Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.

1.4.2. Пробой газов

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = q·Ul, (1.26)

где q – заряд, Ul – падение напряжения на длине свободного пробега l.

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является:

W Wи. (1.27)

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и l постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью.

Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован.

В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.

Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.

Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.

Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается.

Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении.

Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.1.2.

Рис.1.2. Зависимость электрической прочности газа от давления

В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

1.4.3. Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, 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. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

1.4.4. Пробой твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;
3. тепловой (электротепловой) пробой;
4. электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:

U2wCtgd= sS(Tраб – T0), (1.28)

где U – напряжение, В; U2wC– реактивная мощность, В·А; w – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tgd – тангенс угла потерь при рабочей температуре; s – коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К; S – площадь поверхности изолятора, м2; Tраб и T0 – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.

Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:

(1.29)

где g т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tgd0 – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; atgd – температурный коэффициент tgd, 1/K; j(cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.

Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.

https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs

Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

Источник: https://siblec.ru/estestvennye-nauki/khimiya-radiomaterialov/1-dielektricheskie-materialy/1-4-proboj-dielektrikov

Электрическая прочность и пробой диэлектриков

Трансформаторные масла на сегодняшний день являются наиболее распространенными диэлектриками из числа тех, которые применяются в электротехнических устройствах. Их важнейшее эксплуатационное свойство – электрическая прочность.

Основная функция таких масел – это повышение электрической прочности и отведение тепла от нагревающихся обмоток трансформаторов, а также изоляция кабелей и конденсаторов.

Электрическая прочность диэлектриков определяется химическим составом нефтяных масел и наличием в них механических примесей. В случае тщательной и хорошей очистки жидкого диэлектрика его пробой может иметь место преимущественно в случае ударной ионизации молекул. Явление пробоя масла характеризуется резким возрастанием величины тока.

Электрическая прочность – влияние различных факторов

Снижать электрическую прочность трансформаторного масла также может наличие в нем не только механических примесей, но и влаги, газовых включений. При этом наибольшая степень влияния приходится на мелкие капли воды. Они распределяются равномерно по всему объему масла, при этом с ним не смешиваясь. Такой тип взаимодействия получил название эмульсии.

В связи с тем, что вода – полярная жидкость, а чистое трансформаторное масло по своей природе нейтрально, подача напряжения приводит к поляризации диполей и образованию в масле цепочки с повышенной проводимостью. По ней и происходит электрический пробой диэлектрика. Даже 0,01% влаги способен снизить электрическую прочность трансформаторного масла почти в три раза.

По электрической прочности газы уступают жидким диэлектрикам, поэтому в пузырьках газа ионизационные процессы развиваются достаточно быстро. Пузырьки увеличиваются в размерах, способствуя таким образом местному перегреву масла. Образуется газовый канал, по которому происходит пробой диэлектрика.

Повышение электрической прочность трансформаторного масла

Как же повысить электрическую прочность масла? Для этого используются процессы осушки, дегазации и очистки от механических примесей в специальном оборудовании компании GlobeCore. Работа установок GlobeCore основана на разных принципах и их комбинациях, что позволяет всегда  подобрать оптимальное решение задачи повышения электрической прочности трансформаторного масла.

Источник: https://globecore.ru/elektricheskaya-prochnost-i-proboj-die/