Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства

электроизоляционного

материала,

если

напряженность

поля

превысит

некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это

явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической

прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика,

называется

пробивным

напряжением,

а

значение

напряженности

электрического

поля,

соответствующее

пробивному

напряжению,

-

электрической

прочностью

диэлектрика.

Пробой

(длительный

или

кратковременный) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и

образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая

прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к

толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение

измеряется в киловольтах.

Е

пр

= U

пр

/ h, (52)

где Е

пр

- электрическая прочность диэлектрика, кВ/м; U

пр

- пробивное

напряжение, кВ; h - толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

На

практике

часто

пользуются

значениями

пробивного

напряжения,

выраженными в мегавольтах, киловольтах или вольтах. Тогда электрическая

прочность Е

пр

будет выражаться так: 1 МВ/м = 1 кВ/мм = 10

6

В/м.

Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых

диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения

пробитый

промежуток

диэлектрика

полностью

восстанавливает

свои

диэлектрические

свойства,

т.е.

первоначальное

значение

пробивного

напряжения U

пр

, при условии, что длительность и величина электрической дуги

не были столь велики, чтобы вызвать необратимые изменения в диэлектрике

или в токопроводящих частях аппарата.

В большинстве случаев при возрастании толщины h диэлектрика значение

уменьшается, а U

пр

растет нелинейно. Для надежной работы диэлектрика в

любых

установках

значение

рабочего

напряжения

U

раб

должно

быть

существенно меньше пробивного U

пр

. Отношение U

пр

/ U

раб

называется

коэффициентом запаса электрической прочности изоляции. Электрическая

прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем

электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если

расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой

изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при

повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а

происходит поверхностный пробой - перекрытие изоляции, т.е. разряд в

прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например

воздуха (перекрытие фарфоровых изоляторов).

По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков,

основными из которых являются следующие:

- электрический;

- электротепловой;

- электромеханический;

- электрохимический;

- ионизационный.

Для твердых диэлектриков явно выражены четыре вида пробоя:

В

общем

случае

чисто

электрический

пробой

представляет

собой

непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического

поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика; он

развивается практически мгновенно. Поэтому, если пробой не произошел сразу

после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать

это поле длительно. Исключением является напряжение U

примп

к пробивному

напряжению длительного воздействия называется коэффициентом импульса

К

имп

для данной изоляции

К

имп

= U

примп

/ U

прдл

. (53)

Коэффициент импульса зависит от вида материала изоляции, формы и

размеров диэлектрика. Для газов К

имп

в неоднородном поле больше при прочих

равных условиях.

Электротепловой пробой (тепловой) связан с нагревом изоляции в

электрическом поле и диэлектрическими потерями. Развитие теплового пробоя

идет по следующей схеме: при некоторой разности потенциалов на электродах

(например, Uраб) в диэлектрике выделяется тепловые потери, его температура

повышается, увеличиваются потери и процесс продолжается до тех пор, пока

диэлектрик не оплавиться или произойдет его обугливание (в зависимости от

того термопластичный или термореактивный материал) и его собственная

электрическая прочность упадет до такой величины, что произойдет пробой

диэлектрика. Тепловой пробой, так же как и электрический может быть

местным.

Если

удельная

активная проводимость диэлектрика мала и

температурный коэффициент Т

к

невелик, то при хороших условиях отвода

тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие

между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую

среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении. При

тепловом

пробое

U

пр

зависит

от

частоты

приложенного

напряжения,

уменьшаясь при значительных частотах и так же снижаясь при возрастании

температуры.

Электромеханический пробой сопровождается механическим разрушением и

образованием

микротрещин

под

действием

электрического

поля

и

механического давления электродов.

Электрохимический пробой

– вид медленно развивающегося пробоя,

вызванного химическим изменением материала под действием электрического

поля. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является

необратимым, особенно, в области дефекта.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически

агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при

частичных разрядах в газе, а также эрозией диэлектрика на границе пор

ионами газа.

Пробой в газах - распространенный пробой, т.к. во многих электрических

аппаратах, на линиях электропередач внешней изоляцией служит воздух или

какой-нибудь газ. Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной

ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в сравнении с жидкости

и

твердых

диэлектриков.

Явление

пробоя

газа

зависит

от

степени

однородности поля, в котором осуществляется пробой.

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.13

Рисунок 13 - Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния

между

электродами в однородном поле.

Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в газе,

значениях пробивного напряжения, при прочих равных условиях. Повышенная

электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно

меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах.

Пробой технических жидкостей может быть связан с газовыми включениями,

что вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей к

образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также сильно снижает

электрическую прочность. Электрическая прочность сухого трансформаторного

масла не зависит от температуры, когда начинают испаряться легкие фракции

масла, образуя пузырьки газа в жидкости. Требования, предъявляемые к

изоляционным маслам, нормируют все посторонние примеси в масле. У сухого

масла Е

пр

= 20 - 25 МВ/м, а у масла, бывшего в эксплуатации, Е

пр

= 4 - 5 МВ/м.

Для повторного использования масло подвергают регенерации.

Пробой твердых диэлектриков

может быть любой из четырех видов, в

зависимости от характера электрического поля, структуры диэлектрика,

наличия дефектов, условий его охлаждения и времени воздействия на него

напряжения. Электрический пробой макроскопически однородных твердых

диэлектриков - это чисто электронный пробой, время развития которого около

десятка мс, он не обусловлен тепловой энергией. Чисто электрический пробой

наблюдается, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических

потерь и отсутствует ионизация газовых включений. Такой пробой отмечается у

монокристаллов щелочно-галлоидных соединений и у некоторых полимеров. В

этом случае Е

пр

= 100 МВ/м и даже больше. Для однородных материалов

значения

пробивного

напряжения

в

однородном

и

неоднородном

электрическом поле заметно отличаются друг от друга.

Для случая электрического пробоя неоднородных диэлектриков развитие его

тоже достаточно быстрое, но значения для неоднородных диэлектриков (в том

числе

и

с

газовыми

включениями)

в

однородном

и

неоднородном

электрическом поле отличаются друг от друга незначительно.

Электрическая

прочность

при

электрическом

пробое

не

зависит

от

температуры, но после достижения температурой некоторых определенных

значений заметно уменьшается: это говорит о наличии теплового пробоя.

Низкая электрическая прочность наблюдается у диэлектриков с открытыми

порами (дерева, бумаги, неглазурованной керамики) и мало отличается от

газов. Для диэлектриков с закрытыми порами - плотной бумаги, глазурованной

керамики - характерна высокая электрическая прочность.

Тепловой пробой отличается от электрического тем, что электрическая

прочность

при

тепловом

пробое

является

характеристикой

не

только

электротехнического материала, но и изделия из него, тогда как Е

пр

при

электрическом пробое, является характеристикой только самого материала.

Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с

частотой поля, условиями охлаждения диэлектрика, температурой окружающей

среды; оно зависит также от нагревостойкости материала. С повышением

температуры электрическая прочность уменьшается.

Для однородных плоских диэлектриков, обладающих потерями, существует

приближенный метод расчета пробивного напряжения.

Для расчета Uпр полагаем, что пробой происходит при повышенных

температурах

и

в

диэлектрике

преобладают

потери

от

сквозной

электропроводности. Таким образом, учитывая экспоненциальную зависимость

тангенса потерь (tg) от температуры и используя выражение

после

преобразований получим

где U - приложенное напряжение; f - частота; . - диэлектрическая

проницаемость материала; S - площадь электрода; tg - тангенс угла потерь

диэлектрика при t

0

- температуре окружающей среды; - температурный

коэффициент тангенса угла потерь; t - температура нагретого за счет

диэлектрических

потерь

материала;

t

0

-

температура

электродов,

приблизительно равная температуре окружающей среды; h - толщина

диэлектрика.

Теплопроводность материала электродов обычно на два - три порядка больше,

чем теплопроводность диэлектрика, поэтому полагаем, что теплота из

нагревающегося объема диэлектрика передается в окружающую среду через

электроды. Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается формулой

Ньютона

Р

а

= 2  S (t - t

0

). (55)

где  - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик - металл электродов.

Напряжение U , при котором имеет место неустойчивый режим - граничный

режим, можно принять за напряжение пробоя U

пр

. Его значение можно

определить по двум условиям:

Р

а

= Р

t

, (56)

dP

a

/ dt = dP

t

/ dt. (57)

Решая эти два уравнения относительно U

i

с учетом выше обозначенных

значений для Р

а

и Р

t

, получаем:

Разделив эти два выражения, тогда, подставив его в последнее выражение и

решив его относительно U. где К – числовой коэффициент, равный 1,15 10

5

,

если все величины выражены в единицах системы СИ.

Отсюда следует, что пробивное напряжение будет выше (изменяется по закону

экспоненты), если диэлектрик будет толще, условия теплоотвода лучше (

больше), частота ниже, а  и tg меньше. При больших , tg и при высоких

частотах, а также при большом температурном коэффициенте тангенса угла

потерь пробивное напряжение будет ниже.

Этот расчет, пригодный только для одномерного потока теплоты, называется

графоаналитическим и является приближенным, В нем не учтены перепад

температуры по толщине диэлектрика (искажение электрического поля и

повышение

градиента

напряжения

в

поверхностных

слоях),

а

также

теплопроводность материала электродов. Поэтому тепловой пробой часто

наступает при напряжении ниже расчетного. Более точные методы расчета

разработаны академиками Н.Н. Семеновым и ВА. Фоком только для изделий

простейшей конфигурации.