 |
Электрическая прочность диэлектриков
|
|
|
|
6.1. Основные расчетные выражения
и необходимые пояснения
Электрической прочностью (E пр) называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой изоляционного промежутка. Напряжение, при котором происходит электрический пробой, называют «пробивным напряжением» (U пр).
(6.1)
где h – толщина диэлектрика (изоляционный промежуток между электродами, разрядный промежуток).
Пробивное напряжение зависит от размера разрядного промежутка. При увеличении промежутка пробивное напряжение возрастает, а электрическая прочность снижается.
Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности материала при воздействии высокого напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости через этот канал.
Механизмы развития разряда в газообразных, жидких и твердых диэлектриках различны.
При электрическом пробое большого газового промежутка последовательно развиваются следующие явления.
I. Появление свободного электрона в газовом промежутке (случайного, из металлического электрода, в результате фотоионизации молекулы газа и т. п.).
II. Разгон свободного электрона электрическим полем до энергии, достаточной для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом ионизировать последний (ударная ионизация).
III. Развитие электронной лавины как следствие множественных актов ударной ионизации.
IV. Рост стримера – проводящего плазменного канала, формирующегося из положительных ионов, оставшихся после прохождения лавины, и отрицательных зарядов, втягиваемых в положительную плазму.
|
|
|
V. Преобразование стримера в лидер за счет термоионизации, вызываемой прохождением емкостного тока по стримеру.
VI. Главный разряд происходит при замыкании каналом разряда разрядного промежутка.
При малых промежутках процесс пробоя может завершиться на стадиях III (лавинный пробой) и IV (стримерный пробой, искра).
Электрическая прочность газов зависит:
А) от давления. При увеличении давления уменьшаются расстояния между молекулами. Разгоняющемуся электрону необходимо на более коротком пути разгона (называемого длиной свободного пробега) получить ту же энергию, достаточную для ионизации атома. Эта энергия определяется в первую очередь конечной (в момент соударения) скоростью электрона. Большего ускорения электрон может достичь за счет увеличения действующей на него силы – напряженности электрического поля. Экспериментальная зависимость пробивного напряжения газового промежутка от произведения давления р на величину промежутка h называется законом Пашена. Минимальное значение пробивного напряжения для воздуха при ph = 0,7 Па · м составляет примерно 330 В. Левее указанного значения ph электрическая прочность возрастает из-за малой вероятности столкновения электронов с молекулами газа.); кривая Пашена представлена на рис. 6.1
|
|
|
|
При рh ~ 10 Па · м и более можно пользоваться следующей приближенной формулой для расчета пробивного напряжения:
, (6.2)
где параметры a 0 и b 0 зависят от сорта газа (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Коэффициенты эмпирической формулы для пробивного напряжения
| Постоянные коэффициенты | Воздух | O2 | N2 | H2 | Ar | He | Ne | SF6 |
| a 0, МВ/м | 2,45 | 2,6 | 2,35 | 1,26 | 0,57 | 0,57 | 0,201 | 8,93 |
| b 0, МВ/м1/2 | 0,064 | 0,0635 | 0,0955 | 0,0437 | 0,226 | 0,0153 | 0,0157 |
|
|
|
Здесь предполагается давление p 0 = 101,3 кПа, температура T 0 = 293 К.
При изменении температуры и давления предыдущая формула модифицируется:
, (6.3)
где 
;
Б) от сродства молекулы газа к электрону, электроотрицательности газа. (Сродство к электрону – это способность некоторых нейтральных атомов и молекул присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы. В электроотрицательных газах, состоящих из атомов с высоким сродством к электрону, требуется бльшая энергия разгона электронов полем для образования электронной лавины.)
Электрическая прочность жидкого диэлектрика не связана непосредственно с химическим строением жидкостей. Из-за близкого расположения молекул в жидком диэлектрике механизм ударной ионизации не реализуется.
На значение электрической прочности влияют в первую очередь количество газа в жидкости, состояние и площадь поверхности элект-родов.
Электрический пробой жидкого диэлектрика начинается, как правило, с пробоя микроскопических газовых пузырьков. Из-за низкой диэлектрической проницаемости газа напряженность в пузырьке выше, чем в жидкости, а электрическая прочность газа ниже.
Частичные разряды в пузырьках приводят к росту последних, что в итоге завершается пробоем жидкого диэлектрика.
Электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается:
– при очистке от твердых проводящих микрочастиц (сажа, уголь
и т. п.);
– сушке жидкости (удалении воды);
– дегазации жидкости (вакууммировании);
– повышении давления Р.
Для учета давления Р и площади электродов S используется обобщение эмпирических зависимостей в виде формулы Мартина.
, (6.4)
где постоянная M зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса τ следует подставлять в микросекундах, давление – в атм., а площадь электродов S – в см2. Постоянная М составляет 0,7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0,6 МВ/см – для глицерина, 0,5 МВ/см – для этилового спирта, 0,6 МВ/см – для воды (в случае пробоя с катода) и 0,3 МВ/см (в случае пробоя с анода).
Механизмы пробоя твердых диэлектриков зависят от времени воздействия напряжения (с момента подачи до пробоя), определяющего физические процессы, происходящие при этом воздействии. Различают:
|
|
|
– электрический пробой (время воздействия – доли секунды);
– тепловой пробой (время воздействия от секунд до часов);
– пробой под действием частичных разрядов (время воздействия от нескольких часов до года и более).
При электрическом пробое твердого диэлектрика под действием приложенного напряжения разрываются химические связи, и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорциональна энергии химических связей.
Причиной теплового пробоя является разогрев диэлектрика, чаще всего за счет диэлектрических потерь, когда мощность потерь превышает мощность, отводимую от диэлектрика.
При повышении температуры увеличиваются электропроводность (за счет увеличения числа носителей) и угол диэлектрических потерь, что приводит к дополнительному росту энерговыделения и снижению электрической прочности.
Частичным разрядом (ЧР) называют разряд, проходящий в какой-либо ограниченной области изоляционного промежутка и не замыкающий весь промежуток. Одним из примеров частичного разряда является коронный разряд в газах в неравномерном электрическом поле, когда стримером пробивается лишь область вблизи электрода с напряженностью поля выше электрической прочности газа (например,
у провода высоковольтной линии электропередачи). В твердых телах
ЧР – это локальный многолавинный разряд в газовой поре диэлект-рика.
Для возникновения частичного разряда в твердом диэлектрике необходимы два условия:
– наличие воздушного включения, напряженность поля в котором выше, чем в самом диэлектрике;
– напряжение, приложенное к диэлектрику, должно быть достаточным для того, чтобы напряженность поля в воздушном включении превысила пробивную.
При переменном поле, приложенном к диэлектрику, частичные разряды возникают на каждом полупериоде при достижении напряжением пробивного значения. Длительные периодические ЧР химически разрушают диэлектрик, увеличивают диэлектрические потери, что в конечном итоге приводит к пробою диэлектрика.
|
|
|
Для определения напряженности поля, изоляции коаксиального кабеля можно использовать выражение
, (6.5)
где r – расстояние от оси кабеля до точки в изоляции; r 2 – радиус внешнего электрода; r 1 – радиус внутреннего электрода.
|
|
|
