|
| |
|
Слаботочка Книги ПОЛЯ.- электричеокой (прочностью диэлектрика £пр, которую приблизительно оценивают как где h - толщина диэлектрика в месте пробоя. Электрический пробай твердых диэлектриков представляет собой сложный комплекс разнообразных физических процессов и явлений: электричеоких, механических, тепловых и электрохими-чеоких. Каждый из указанных механиемов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля - постоянного или переменного, импульсного .низкой или высокой частоты; времени действия напряжения; особенно при Наличии в диэлектрике структурных дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения; уровня относительной влажности; степени и характера химической .загрязненности диэлектрика. Характерной особенностью электрического пробоя, является возрастание тока перед пробоем с увеличением напряжения приблизительно по экспоненциальному закону и скачкообразное увеличение тока при достижении определенной напряженности поля (при пробое). Образующийся большой ток способен расплавить, обуглить или сжечь диэлектрик. При большом токе в месте пробоя остается след в виде прокола, прорыва или проводящей дорожки, имеющей обычно древовидную форму и способной вызвать сильную эрозию поверхности. В случае образования проводящего следа повреждающие разряды обычно сопровождаются меньшими токами, вызываются и поддерживаются наличием влаги и загрязнений. Присутствие влаги вызывает повреждение, связанное с образованием проводящего следа как на поверхности, так и в толще материала, Различают два основных вида электрического разряда по поверхности диэлектриков и соответствующие им электрические повреждения: поверхностное или дуговое перекрытие, характеризующееся тем, что электрическая дуга начинается и происходит в основном в газе, находящемся над поверхностью изоляционных материалов; прогрессирующее со временем поверхностное повреждение, которое происходит под разрушающим воздействием дуговых разрядов или искрения. Электрический пробой протекает по-разному у неоднородных и однородных твердых диэлектриков. Установлено, что чем больше размеры пор в диэлектрике, тем меньшее напряжение нужно приложить к образцу, чтобы вызвать разряды в порах. В органических диэлектриках электрические разряды вызывают эрозию, образование более глубоких пор, которые при достаточной длительности действия напряжения вей более удлиняются, что в конце концов приводит к пробою диэлектрика. Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация электронами или ионами. При движении в решетке твердого тела электроны проводимости отдают энергию, полученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая поляризацию. При некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению концентрации носителей в зоне проводимости. В порах, воздушных (газовых) включениях, имеющихся в диэлектрике, при достаточно больших напряжениях, превышающих напряжение ионизации, возникают электрические разряды, в результате которых также создаются условия для пробоя диэлектриков. При недоброкачественном технологическом процессе изготовления диэлектриков, когда в материале появляются крупные поры (размером 0,5-1,0 мм), разрушение диэлектрика в поле высокой частоты имеет особый характер в этом случае лробой обусловливается механическими напряжениями, возникаю- щими между сильно нагретыми за счет ионизационных потерь стенками закрытой поры и менее нагретым объемом диэлектрика. При достижении термомеханическими напряжениями величин, превосходящих предел прочности мате- . риала, диэлектрик разрывается, растрескивается. Перед пробоем часто наблюдаются отдельные точечные свечения, связанные с ионизацией газовых вклю.-чений. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию, прожиганию или разложению. Возможность развития теплового пробоя имеет место тогда, когда приложенвое напряжение недостаточно, чтобы вызвать электрический пробой при данной начальной температуре, и обусловлено тем, что проводимость диэлектрика (при постоянном напряжении) и угол диэлектрических потерь (при переменном напряжении) возрастают с повышением температуры, что в свою очередь также вызывает дальнейшее увеличение нагрева до того момента, когда наступит пробой. Как правило, при возникновении электрических разрядов в диэлектриках происходят и химические изменения. Электрохимический пробой имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Электрохимический пробой связан с явлением электропроводности и сопровождается окислительно-восстановительными реакциями в молекулярной структуре материала вблизи или на поверхности электродов и зависит от всех тех факторов, которые влияют на повышение электропроводности. Особо следует отметить, что повышение электропроводности, приводящее к пробою, во многом определяется уровнем влажности окружающей среды. К специфическим причинам пробоя увлажненного диэлектрика следует отнести следующие; явления разрядов на загрязненной электролитами поверхности и внутри структуры изоляционных материалов при образовании участков повышенного, градиента потенциала; электрохимическую коррозию электродов; электролитическую диссоциацию воды на ионы; выделение газообразных веществ в приэлектродной поверхности в процессе окислительно-восстановительных реакций на электродах и испарение влаги. Явление пробоя увлажненных диэлектриков очень сложно и связано с влиянием многих факторов. Все особенности этого явления еще во многом неясны и, хотя в настоящее время принимаются различные меры защиты, они все еще недостаточны и многие вопросы, возникающие при разработке, таких мероприятий, требуют своего решения [10, 19]. 1.3. Диэлектрические потери в электроизоляционных материалах Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, рассеиваемую в изоляционном материале, находящемся в электрическом поле. Рассеивание энергии в материале, как правило, сопровождается выделением тепла. Потери происходят вследствие утечки тока (сквозная проводимость), ионизации включений, преодоления явления «последействия» в диэлектриках (потери на преодоление внутреннего поля, созданного за предыдупщй период действия внешнего поля). Рассеивание энергии в материалах происходит как при постоянном, так и при переменном напряжении, однако главную роль играют процессы, протекающие прн переменном напряжении. 3°-53 . При параллельной схеме замещения диэлектрические потери описываются уравнением P = UaCxtg&, (14) Т- е.- мощность потерь прямо пропорциональна приложенному напряжению, частоте, поляризационным и качественным характеристикам диэлектрика. Качественную характеристику диэлектрика обычно выражают через тан-.генс угла потерь tg 6. Эта величина численно равна отношению активного тока к реактивному, которые имеют место в диэлектрике, находящемся в электрическом поле. Нередко электроизоляционные материалы характеризуют коэффициентом потерь, численно равным произведению диэлектрической проницаемости .на тангенс угла потерь. Как уже отмечалось, воздействие повышенной влажности приводит к увеличению е,- и tg 6 материалов и, следовательно, вызывает большие потери. С увлажнением материалов изменяется и частотная зависимость е,- и tg6. Положение экстремумов и их величина зависят от количества поглощенной влаги .внутри материала. В случае распределения влаги в материале в виде сферичес-.ких включений р!(1счеты классических систем дают следующие зависимости: er2(2e,2 + e,i)(2ge-f Збя 10» (2go +й) где q - объемная концентрация поглощенной влаги; gi и eri - проводимость и диэлектрическая проницаемость воды; go и ёг2 - проводимость и диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вышеприведенные зависимости упрощаются, если принять проводимость ос-.новного диэлектрика за бесконечно малую величину: k = . т = 0.885 . io-»i-±i- . 2 Bra + 6n Si Частотная зависимость tg 6 имеет максимум, в чем можно убедиться, взяв производную tg 6 по частоте, при этом tg б„акс = 2yr+k " г • • Так как обычно А<1, то сймако»1/Г и tg 6макс~/2. Как видно из приведенных выражений, максимальное значение величины tg 6 зависит от k, т. е. от величины g и от соотношений ег и бгь поэтому при испытаниях изоляционных материалов снимают частотную зависимость матери-.алов, чтобы обнаружить увлажнение изоляции. Расположение максимума tg6 в частотной зависимости определяется электропроводностью воды, которая может принимать различные значения в зависимости от степени загрязнения примесями, поэтому теоретические зависимости несколько отличаются от экспериментальных. Величина максимума tg 6 может быть рассчитана с большой точностью, так как она зависит полностью от количества поглощенной влаги. Подобное распределение влаги имеет место для неполярных или слабополярных материалов (полиэтилена, фторопласта, полистирола и др.). Формулы для расчета системы со сфероидальными включениями связывают величины tg 6 и бг не только с количеством поглощенной влаги и ее проводимостью, но и с формой частицы. \ Для упрощения расчетов рассматривались сфероиды одинаковой формы с реями, параллельными полю. Силларсом для этого случая получены следующие соотношения: I -f 0)2 I -f 0)2 0 1 2 3 4 5 6 [7] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 |