Электрическая прочность конденсаторов

Электрическая прочность – это способность изоляции противостоять пробою. При нарушении электрической прочности происходит пробой диэлектрика, между обкладками конденсатора возникает короткое замыкание и конденсатор отказывает в работе. Электрическая прочность конденсатора зависит от толщины и качества диэлектрика, от площади обкладок, условий теплоотдачи и т.д.

Электрическая прочность характеризуется величиной пробивной напряженности, которая равна отношению пробивного напряжения к толщине диэлектрика h: [144]

Если напряженность поля в диэлектрике достигает значения равного , то происходит пробой диэлектрика конденсатора.

В газообразных диэлектриках пробой носит чисто электрический характер и может быть объяснен теорией ударной ионизации. Пробой газа происходит тогда, когда кинетическая энергия свободных ионов будет достаточной, чтобы ионизировать молекулы при соударении, то есть , образуется ионная лавина, проводимость газа растет. Энергия, приобретенная частицей на длине свободного пробега равна:

, [145]

где Е - электрическая прочность;

q – заряд частицы,

– длина свободного пробега.

Электрическая прочность газов зависит от давления (рис. 49). С увеличением давления газа величина уменьшается и электрическая прочность растет пропорционально росту давления так как при меньших требуется более высокая напряженность поля, чтобы накопить энергию, необходимую для ионизации. При переходе в область высокого вакуума, электрическая прочность газа резко возрастает. Это объясняется тем, что количество молекул в единице объема резко снижается и уменьшается вероятность столкновения ионов с молекулами.

Применяя повышенное давление можно повысить электрическую прочность газовой изоляции в 10 – 20 раз, еще более высокие значения пробивной напряженности можно получить, применяя вакуум. Особенностью газообразной изоляции является полная ее восстанавливаемость после пробоя.

Пробивная напряженность зависит от расстояния между электродами (рис. 50).

В случае твердых диэлектриков внутри его или у краев обкладок могут встретиться воздушные включения, которые разрушаются электрическим полем раньше, чем может произойти пробой твердого диэлектрика. Кроме того, возможен поверхностный разряд на границе раздела между воздухом и твердым диэлектриком по поверхности выводных изоляторов или по поверхности изоляционного корпуса.

В случае очень чистых жидких диэлектриков явление пробоя можно объяснить тоже с точки зрения ионизационной теории. Жидкий диэлектрик имеет большую плотность, чем газы, поэтому у них меньше и электрическая прочность значительно выше.

Для жидких диэлектриков технической очистки пробивная напряженность ниже, что связано с наличием пузырьков воздуха, влаги и механических примесей. Под действием поля они выстраиваются в цепочки от электрода к электроду по которым происходит пробой. С увеличением примесей пробивная напряженность уменьшается (рис. 51). Восстанавливаемость электрической прочности жидкости после пробоя хуже, чем газов, так как происходит загрязнение жидкости продуктами ее разложения, образующиеся в момент пробоя.

Для твердых диэлектриков различают: электрический пробой, ионизационный пробой, электротепловой пробой, электрохимический пробой.

С чисто электрическим пробоем конденсаторов с однородным диэлектриком можно встретиться в редких случаях, в основном при воздействии кратковременных единичных импульсов напряжения.

Для конденсаторов с воздушными включениями в порах диэлектрика или у краев обкладок характерен электрический пробой неоднородных диэлектриков, связанный с ионизацией.

При электротепловом пробое нарушается тепловое равновесие между теплом , выделяющимся в диэлектрике и теплом, отводимым от него в окружающую среду . Если , то происходит нагрев диэлектрика. При этом растет его проводимость, что способствует дальнейшему росту , что ведет к тепловому разрушению диэлектрика. Тепло выделяемое в диэлектрике можно рассчитать по формуле:

, [146]

где - приложенное напряжение;

- угловая частота;

- емкость конденсатора;

- тангенс угла диэлектрических потерь.

Тепло, отведенное в окружающую среду, описывается выражением:

[147]

где - коэффициент теплоотдачи с поверхности конденсатора в окружающую среду;

- поверхность с которой происходит теплоотдача;

- температура конденсатора;

- температура окружающей среды.

Зависимость от температуры определяется характером зависимости угла потерь от температуры (рис. 52)

Кривые 1,2, и 3 соответствуют трем значениям напряжениям _, и . Точка А – состояние устойчивого теплового равновесия, так как за точкой А , что приводит к снижению температуры до .

При в точке В – состояние неустойчивого теплового равновесия, так как за точкой В .

При подаче на конденсатор температура его будет непрерывно увеличиваться, что приведет к тепловому пробою. Напряжение теплового пробоя можно определить из равенства и , при этом:

[148]

[149]

Явление теплового пробоя связано со временем, т.к для того, чтобы выделилось достаточное количество тепла, способного поднять температуру диэлектрика до такого значения, при котором начинается термическое разрушение, требуется определенное время.