Пробой диэлектриков

Лекция № 4

Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев. Причины возникновения пробоев. Электрическая прочность. Принципиальная схема установки для определения электрической прочности диэлектриков. Пробой газообразных диэлектриков диэлектриков. Пробой газа в однородном поле. Пробой газа в неоднородном поле

Пробой жидких диэлектриков. Теория теплового пробоя. Теория электрического пробоя. Способ определения электрической прочности жидких диэлектриков. Зависимость электрической прочности от различных факторов. Мероприятия по повышению электрической прочности жидких диэлектриков в электроустановках.

Пробой твёрдых диэлектриков. Электрический пробой. Электротепловой пробой. Ионизационный пробой. Электрохимический пробой. Электромеханический пробой. Электротермомеханический пробой. Влияния различных факторов на величину пробивного напряжения и электрическую прочность диэлектриков.

 

Пробой диэлектриков– это потеря диэлектриком электроизоляционных свойств при напряженности поля, превышающей некоторое критическое значение. При пробое происходит резкое увеличение плотности тока и снижение сопротивления, что приводит к короткому замыканию. Выделяют пробой твёрдого однородного (неоднородного) диэлектрика, пробой жидкостей и пробой газов. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называетсяпробивным напряжением. Для газов пробивным напряжением является его амплитудное значение

Uпр = Uампл = √2Uдейств

Для жидкостей и твёрдых диэлектриков это действующее напряжение

Uпр = Uдейств.

Напряжённость поля, соответствующая пробивному напряжению, называется электрической прочностью диэлектрика:

Eпр =, [кВ/м].

В месте пробоя, в зависимости от подаваемого напряжения, может образоваться искра, дуга, оплавление, обгорание или растрескивание.

В пробитом твёрдом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если к такому образцу твёрдой изоляции приложить повторно напряжение, то пробой произойдёт под напряжением, меньшим Uпр первого пробоя, то есть Uпр1 > Uпр2. При пробое газов пробитый промежуток мгновенно восстанавливается, то есть Uпр1 = Uпр2. При пробое твёрдых диэлектриков Uпр1 > Uпр2. В месте пробоя в зависимости подаваемого напряжения может образоваться искра, дуга, оплавление, обгорание или растрескивание. Испытания диэлектриков на электрический пробой и на определение электрической прочности производят на испытательных стендах.

Различают следующие механизмы пробоя.

Электрический пробой. В процессе этого пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды атомов, молекул диэлектрика. Протекает мгновенно, вызывается ударной ионизацией электронами. Если энергии электронов достаточно для ионизации, то электроны при соударении с атомами ионизируют их, в результате чего появляются новые электроны, таким образом, число электронов лавинно нарастает, что приводит к резкому увеличению проводимости и электрическому пробою.

Электротепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяемое диэлектриком за счёт диэлектрических потерь, превышает то количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях. В результате нарушается тепловое равновесие. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температуры, при которой происходит либо обугливание или расплавление материала. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от частоты, температуры окружающей среды, от условий охлаждения, от нагревостойкости материала и толщины диэлектрика. При увеличении толщины диэлектрика напряжение пробоя снижается за счёт ухудшения теплоотвода от средних частей диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава структуры диэлектрика. Этот пробой развивается при действии электрического поля в условиях высокой температуры и высокой влажности. Наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении. При высокой частоте электрохимический пробой происходит в результате ионизации газа, сопровождаемой тепловым эффектом. При низкой частоте в диэлектрике происходит необратимое уменьшение сопротивления изоляции, что приводит к пробою. Для развития электрохимического пробоя требуется время.

Ионизационный пробой. Ионизационный пробой развивается в результате действия на диэлектрик частичных разрядов. Полимерные диэлектрики под действием этих разрядов окисляются, образующиеся ионы бомбардируют стенки пор изоляции, что приводит к механическим разрушениям, образующиеся при этом оксиды азота и озон химически разрушают полимер, что и приводит к пробою. Для развития ионизационного пробоя требуется время.

Электромеханический пробой. Электромеханический пробой характерен для полимерных диэлектриков, находящихся в высокоэластичном состоянии при высоких температурах. Под действием электростатического притяжения, возникающего между электродами при высоком напряжении, происходит механическое сдавливание диэлектрика, что ведёт к уменьшению его толщины. При достижении критической деформации происходит механическое разрушение и пробой диэлектрика. Для развития электромеханического пробоя также требуется время.

Электротермомеханический пробой.Электротермомеханический пробой является разновидностью электрического и теплового пробоя, наблюдается в хрупких диэлектриках, содержащих поры. В процессе ионизации газовых вклю­чений пор образуются перегретые слои диэлектрика, их тепловое расширение больше, чем менее нагретых слоёв, в результате в диэлектрике образуются меха­нические напряжения, которые приводят к микротрещинам и механическому раз­рушению диэлектрика, дальше к пробою. Для развития электротермомеханического пробоя требуется время. В пробитом твёрдом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если к такому образцу твёрдой изоляции приложить повторно напряжение, то пробой произойдёт под напряжением, меньшим Uпр первого пробоя, то есть Uпр1 > Uпр2. При пробое газов пробитый промежуток мгновенно восстанавливается, то есть Uпр1 = Uпр2. При пробое твёрдых диэлектриков Uпр1 > Uпр2. В месте пробоя в зависимости подаваемого напряжения может образоваться искра,дуга, оплавление, обгорание или растрескивание.

Испытания диэлектриков на электрический пробой и на определение электрической прочности производят на испытательных стендах (рис.1.23).

Установка состоит из испытательного трансформатора (Т), предназначенного для повышения напряжения. Напряжение на низковольтном трансформаторе изменяется с помощью автотрансформатора (АТ). Образец 2 с помощью электродов 1 и 3 подключен к высоковольтной стороне трансформатора. Защитный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора. Напряжение пробоя измеряется вольтметром (V) ,ток контролируется с помощью миллиамперметра (mА). Так как напряжение достаточно высокое и опасное, то основная часть помещена в защитный контур. Сигнальная лампочка указывает на включение и отключения установки.

Для определения прочности жидких диэлектриков используют специальные ячейки (рис.1.24), выполненные из стекла, фарфора, либо специальных пластмасс, которые не реагируют с испытуемой жидкостью. Электроды выполняют из латуни. Для определения электрической прочности жидкого диэлектрика при постоянном напряжении в цепь высокого напряжения включают высоковольтный диод и конденсатор для сглаживания пульсации тока.