Пробій діелектриків

Діелектрик, знаходячись в електричному полі, втрачає влас-тивості ізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля переви-щить деяке критичне значення, при якому руйнуються молекулярні зв’язки. Це явище має назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності. Значення напруги, при якому проходить пробій, називається пробивною напругою, а відповідне значення напруженості поля – електричною міцністю діелектрика. Пробій (довготривалий чи короткочасний) призводить до втрат діелект-ричних властивостей і утворенню каналу з високою електричною провідністю.

Електрична міцність діелектрика в місці пробою:

(1.57)

де Е_пр – електрична міцність діелектрика, кВ/м, U_пр – пробивна напруга, кВ, h – товщина діелектрика в місці пробою, м.

Проходження струму через ділянку ізоляції зображено на рис.1.19.

Рис.1.21. Вольтамперна характеристика ізоляції при пробої.

Точка n на графіку, для якої відповідає про-бою. Подальші явища в діелектрику після пробою визначаються характером електротехнічного матеріалу і потужністю джерела. В місці пробою виникає дуга, що може викликати плавлення, обго-ряння, розтріскування або розкладення (для полімерів) як діелект-рика, так і електродів. Після зняття напруги залишається слід в твердому діелектрику, у вигляді пробитого, проплавленого або пропаленого отвору. Для електричних апаратів пробій ізоляції, як правило, явище аварійного характеру, що виводить їх з ладу і потребує ремонту або заміни.

Пробій газоподібних і рідких діелектриків відрізняється від пробою в твердих діелектриках тим, що в силу рухливості частинок після зняття напруги пробита ділянка ізоляції повністю відновлює свої діелектричні властивості, тобто початкове значення пробивної напруги, при умові, що довготривалість і величина електричної дуги не були такі високі, що могли б викликати необоротні зміни в діелектрику або струмопровідних частинах електротехнічних прис-троїв. Для надійної роботи діелектрика в електротехнічних уста-новках значення робочої напруги U_роб повинно бути суттєво мен-шим від пробивної напруги U_пр. Відношення U_роб / U_пр називається коефіцієнтом запасу електричної міцності ізоляції.

Електрична міцність високоякісних твердих діелектриків, як правило вища від електричної міцності рідких чи газоподібних діелектриків. Тому, якщо відстань між близькими точками електро-дів по поверхні твердої ізоляції ненабагато перевищує відстань по об’єму ізоляції, то при підвищенні напруги в першу чергу проби-вається не ізоляція, а проходить поверхневий пробій – перекриття ізоляції, тобто розряд в прилеглому до ізоляції шарі газоподібного діелектрика, наприклад повітря (перекриття фарфорових ізолято-рів). Низька електрична міцність спостерігається у діелектриків з відкритими порами (дерева, паперу, неглазурованої кераміки).

Зовнішньою ізоляцією в багатьох видах електротехнічних конструкцій: в трансформаторах, конденсаторах, на лініях електро-передач – є повітря. Електрична міцність повітря в нормальних умовах невелика в порівнянні з Е_пр більшості рідких та твердих діелектриків. Явище пробою газу залежить від степені однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробій. Однорідне поле можна отримати між плоскими електродами з заокругленими краями, а також між сферами при віддалі між ними, що співрозмірні з діаметром сфери. В такому полі пробій наступає практично миттєво при досягненні строго визначеної напруги, що залежить від температури і тиску газу. Між електродами виникає іскра, яка потім переходить в дугу, якщо джерело напруги має достатню потужність. Появу іскри при заданій віддалі між електродами використовують для визначення значення прикладеної напруги (вимірювання високих напруг з допомогою шарових розрядників). При малих відстанях між електродами спостерігається значне збільшення електричної міцності повітря.

Рис.1.22. Залежність електричної міцності повітря від віддалі між електродами в однорідному полі при f = 50 Гц, t = 200C, р = 0,1 МПа.

Рис.1.23. Залежність пробивної нап-руги від товщини при 50 Гц для електротехнічного фарфору: 1 – од-норідне поле, 2 – неоднорідне поле.

Пробій газу зумовлений явищем ударної та фотоіонізації. Пробій рідких діелектриків проходить в результаті іонізаційних і теплових процесів. Одним з головних факторів, що сприяє пробою рідин, є наявність в них посторонніх домішок. Пробій твердих тіл зумовлений електротепловими процесами, що виникають під дією поля. Явище електричного пробою пов’язане з електронними проце-сами в діелектрику, що виникають в сильному електричному полі і що приводять до різкого збільшення густини електричного струму до моменту пробою.

Електрична міцність газу Е_пр в значній мірі залежить від його густини, тобто тиску при нормальній температурі t = 20 ^oC. Тому для розрахунку пробивної напруги використовують формулу

(1.58)

де U_пр – пробивна напруга при даному тиску і температурі; U_{пр 0} – пробивна напруга при нормальних тиску Р = 0,1 МПа і температурі t = 20 ^oC. При нормальних умовах U_пр = U_{пр 0}.

Рідкі діелектрики характеризуються більш високою елект-ричною міцністю, ніж гази. Теорію електричного пробою можна застосувати до рідин, що максимально очищені від домішок. При високих значеннях напруженості електричного поля може прохо-дити виривання електронів із металічних електродів і руйнування молекул рідини за рахунок ударів зарядженими частинками. При цьому підвищена електрична міцність рідкого діелектрика в порів-нянні з газовим зумовлена значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Наявність води в трансформаторній оливі сут-тєво понижує її електричну міцність, оскільки під впливом елект-ричного поля молекули води сильно поляризуються і, притягую-чись між собою різнойменними кінцями утворюють між електро-дами ланцюжки з підвищеною провідністю, по яких і проходить електричний пробій.

За фізичною природою розрізняють такі види пробою:

1) електричний пробій;

2) електротепловий пробій;

3) електромеханічний;

4) електрохімічний.

Електричний пробій однорідних діелектриків по своїй природі є чисто електронним процесом, коли з електронів у твер-дому тілі утворюється електронна лавина. Цей вид пробою має місце тоді, коли впливом електропровідності і діелектричними втратами знехтувано.

Електричний пробій неоднорідних діелектриків характер-ний для технічних діелектриків, що містять газові ввімкнення. Електрична міцність твердих діелектриків практично не залежить від температури до деякого її значення. Вище цього значення спос-терігається суттєве зниження електричної міцності, що говорить про появу теплового пробою.

Зупинимось детальніше на електротепловому пробої. При-чиною такогопробою є руйнування твердого діелектрика під впли-вом тепла, що виділяється в результаті діелектричних втрат. В біль-шості випадків при збільшенні товщини значення електричної міц-ності зменшується, тобто це пояснюється погіршенням тепловід-воду від внутрішньої області діелектрика, яка нагрівається більше. Тому значення напруги пробою зростає не прямопропорційно тов-щині діелектрика.

Електротепловий пробій виникає у випадку, коли кількість тепла, що виділяється всередині діелектрика за рахунок діелект-ричних втрат, буде більшою за кількість тепла, що відводиться в навколишнє середовище. Тепловий пробій є наслідком зменшення активного опору діелектрика під впливом нагріву в електричному полі, що приводить до збільшення активного струму і подальшого нагріву діелектрика аж до його термічного руйнування.

Для визначення пробивної напруги (кВ) при тепловому про-бої користуються емпіричною формулою:

(1.59)

де γ _Т – коефіцієнт теплопровідності діелектрика, Вт/(м∙К); f – частота напруги, Гц; ε – діелектрична проникність діелектрика; tg δ₀ – втрати діелектрика при температурі навколишнього середовища; α – температурний коефіцієнт тангенса кутадіелектричних втрат (ТК_{tg δ}); φ(с) – функція, значення якої для плоских зразків знаходять по рис.1.24; с – аргумент, що обчислюється по формулі:

(1.60)

де γ _{Т 1} – коефіцієнт теплопровідності матеріалу електродів; σ– коефіцієнт теплопередачі в електроди, Вт/(м²×К); h – товщина діелектрика, м; l – товщина електроду, м.

Рис.1.24. Залежність φ(с).

При необмеженому зростанні с величина φ(с) прямує до границі, що дорівнює 0,663. Звідси, для кожного діелектрика, навіть при необмеженому збільшенні товщини ізоляції, пробивна напруга при електротепловому пробої не може бути більшою граничного значення (кВ), яке отримується з формули (1.59) при підстановці в неї φ(с) = 0,663

(1.61)

Формула (1.61) показує, що при електротепловому пробої пробивна напруга залежить як від частоти прикладеної напруги, зменшуючись при зростанні f, так і від температури навколишнього середовища (початкової робочої температури діелектрика), змен-шуючись при збільшенні цієї температури за рахунок збільшення tg d₀.

Електромеханічний пробій супроводжується механічним руйнуванням і утворенням мікротріщин під дією електричного поля і механічної дії електродів.

Електрохімічний пробій твердих діелектриків має суттєве значення при підвищених температурах і вологості повітря. Цей вид пробою спостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли в матеріалі розвиваються процеси, що викли-кають необоротне зменшення опору ізоляції (електрохімічне ста-ріння). Електрохімічний вид пробою найбільш характерний для органічних діелектриків.

Розглянемо фактори, що впливають на електричну міцність діелектриків.

Товщина ізоляції. Будь-яка ізоляція електротехнічних прист-роїв визначається відстанню між електродами. При збільшенні цієї відстані зростає і товщина ізоляції. Збільшення товщини ізоляції призводить до збільшення допустимих значень напруг U _пр і U _пр0,5, що відповідають ймовірностям пробою при незначному і максима-льному пошкодженні діелектрика. Для основних видів ізоляції ви-соковольтних апаратів великогабаритної конструкції допустимі напруженості складають: Е _пр < 400 кВ/см і Е _пр0,5 < 200 кВ/см. Характерний вигляд залежності напруги і розподілу напруженості від товщини ізоляції в конструкції високовольтного апарату представлені на рисс.1.22, 1.23. Сповільнення зростання напруги по мірі збільшення товщини ізоляції пов’язано зі зміною електричного поля в сторону нерівномірності або збільшенням ймовірності присутності дефектів. По цій причині вводять коефіцієнт неоднорідності K_н з використанням правила максимальної напруженості, за яким в ізоляційному проміжку при будь-якій заданій ймовірності пробою або пошкодженні ізоляції немає залежності від товщини ізоляції і коефіцієнта K_н. Якщо максимальна напруженість в ізоляції то із вказаного правила випливає таке співвідно-шення допустимих напружень для двох конструкцій з ізоляцією одного і того ж виду:

(1.62)

Задовільні результати ізоляційних конструкцій, що працю-ють в неоднорідному електричному полі, отримуються при K_н < 3.

Площа електродів. Зі збільшенням площі електродів елект-рична міцність зменшується. Якщо проаналізувати залежності ймо-вірностей пробою або пошкодження ізоляції від площі електродів, то виявиться, що напруга буде зменшуватись. Емпіричний вираз, що пов’язує допустимі напруженості для конструкції з площами електродів відповідно S ₁ і S ₂ має вигляд:

(1.63)

де S ₁ – площа електродів першої конструкції, а S ₂ = nS ₁ (n > 1); σ – середньоквадратичне відхилення математичного сподівання напру-ги пробою.