6. Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ
ДИЭЛЕКТРИКОВ И ЯВЛЕНИЙ РАЗРЯДА ПО ПОВЕРХНОСТИ
Цель работы: ознакомиться с методикой определения электрической прочности твердых диэлектриков; исследовать зависимости электрической прочности твердых диэлектриков от толщины диэлектрика (или расстояния между электродами) и временем приложения напряжения; изучить явления образования и развития разряда вдоль поверхности твердого диэлектрика в воздухе.
6.1. Общие сведения
Потеря диэлектриком его электроизоляционных
свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию, называется пробоем.
Для твердых диэлектриков характерны следующие виды пробоев:
– электротепловой (тепловой);
– электрический;
– электрохимический;
– ионизационный;
– перекрытие или поверхностный разряд.
Механизм электротеплового пробоя твердого диэлектрика заключается в его разрушении под влиянием нагревания диэлектрическими потерями, удельное значение которых, Вт/м
3, описывается формулой
,
(6.1)
где Е – напряженность электрического поля, В/м; f – частота, Гц; ε
r – относительная диэлектрическая проницаемость; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.
Твердые диэлектрики являются плохими проводниками тепла. Диэлектрические потери в них, как правило, сильно возрастают с ростом температуры. Если при данном приложении напряжения во внутренних объемах диэлектрика не
может установиться тепловое равновесие, то при достаточно длительном воздействии напряжения произойдет его разрушение: он обуглится или расплавится, что приведет к короткому замыканию электродов – пробою.
Основной физической сущностью электрического пробоя является образование в диэлектрике достаточно сильной электронной лавины из небольшого числа начальных электронов под действием большой напряженности электрического поля. По сравнению с тепловым, электрический пробой развивается за очень короткий промежуток времени (10
-7÷10
-8 с), необходимо лишь достижение определенной напряженности электрического поля.
Для начала ударной ионизации электронами в диэлектрике необходимо, чтобы электроны при разбеге в электрическом поле приобретали кинетическую энергию, Вт·с, достаточную для разрушения кристаллической решетки
, (6.2)
где m – масса электрона, кг; υ –
скорость электрона, м/с; q – заряд электрона, Кл; – время, в течение которого электрон проходит путь свободного пробега, с.
Для механизма ударной ионизации характерна зависимость электрической прочности от толщины диэлектрика.
при этом чем больше толщина, тем слабее влияет ее увеличение на электрическую прочность. Из-за малой длины свободного пробега электронов в твердых телах рост электрической прочности с уменьшением толщины может быть заметен только при очень малых толщинах. При сравнительно больших толщинах, характерных для производственных условий применения диэлектриков (сотые доли миллиметра и выше), электрическая прочность при электрическом пробое может практически не зависеть от толщины.
При наличии в структуре диэлектрика газовых (воздушных) включений и при повышении напряжения до пробоя самого твердого диэлектрика начинается ионизация этих включений, в которых напряженность электрического поля всегда будет больше, чем в твердой части. Газы в
нормальных условиях имеют электрическую прочность, как правило, меньшую, чем твердые вещества, даже при малых толщинах включений. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь, увеличивая опасность теплового пробоя.
Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающим образом на твердый (основной) компонент изоляции за счет бомбардировки ионами и электронами, вызывающими эрозию, за счет теплового воздействия и воздействия озона и окислов азота.
Повысить напряженность начала ионизации у пористых материалов можно пропиткой – замещением воздуха другим диэлектриком, например, жидким. Однако жидкость в порах остается электрически более слабым местом: первая стадия пробоя начинается с ионизации в этих порах. Ионизация жидкости, хотя и медленнее, чем воздуха, но все же действует разрушающе.
Перекрытие, или поверхностный разряд, есть пробой окружающей среды по ее границе с твердым диэлектриком, он определяется, в первую очередь, закономерностями пробоя окружающей среды.
На напряжение перекрытия большое влияние оказывает характер распределения потенциала по поверхности электроизоляционной конструкции. Чем равномернее распределяется поверхностная напряженность электрического поля, тем больше при прочих равных условиях напряжение перекрытия. При местной поверхностной электрической
перегрузке наступает поверхностная корона, приводящая к еще большей неравномерности распределения потенциала. Большое значение имеет и состояние поверхности твердого диэлектрика. Наличие грязи, влаги на ней приводит к искажению поверхностного распределения потенциала, что снижает напряжение перекрытия. В результате напряженность электрического поля, вызывающего перекрытие, обычно бывает меньше электрической прочности среды между теми же электродами.
Напряжение перекрытия твердых диэлектриков уменьшается с усилением влажности окружающего воздуха вследствие образования на поверхности пленок воды, искажающих распределение потенциала по поверхности, приводящих к местным поверхностным электрическим перегрузкам. В этом отношении не спасает и несмачиваемость поверхности диэлектрика водой.
Напряжение перекрытия увеличивается с увеличением пути поверхностного разряда. С этой целью поверхности изоляционных конструкций,
например изоляторов, часто делают ребристыми. На изоляторах наружной установки предусматривают такие ребра, чтобы они хотя бы частично оставались сухими во время дождя. Этим достигается сохранение определенных поверхностного сопротивления и мокроразрядного напряжения (напряжения перекрытия под дождем).
Изделия из неорганических диэлектриков, имеющих достаточную механическую прочность (например, керамические изоляторы), перекрытием в форме искрового разряда не повреждаются, но могут оплавиться или растрескаться при мощном дуговом разряде. В органических диэлектриках при поверхностном разряде может произойти местное обугливание материала, перерастающее при повторных воздействиях в проводящий след.
Скачать 4.32 Mb.