Электрическая прочность диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Напряженность электрического поля, при которой электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением U_пр, соответствующее значение напряженности поля – пробивной напряженностью E_пр или пробивной прочностью (электрической прочностью):

где h – толщина диэлектрика.

Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.

Различают два вида пробоя твердого диэлектрика: электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с первоначальных положений, что приводит к пробою.

Рассмотрим явление теплового пробоя.

Как известно, при работе диэлектрика в переменном электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала. Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому подобное).

Пробой газообразных диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного диэлектрика.

В однородном электрическом поле (между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений, возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают волнистой.

На пробивную прочность жидких диэлектриков в сильной степени оказывают влияние влага, газы, механические и химические примеси. Пробой жидких диэлектриков возникнет в результате перегрева жидкости и разрушения ее молекул.

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Электрическая прочность материалов

Источник

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Источник

Электрическая прочность диэлектриков

Электрическая прочность диэлектрика определяет свойство данного диэлектрика выдерживать приложенное к нему электрическое напряжение. Так, под электрической прочностью диэлектрика понимают среднее значение напряженности электрического поля Епр, при которой в диэлектрике наступает электрический пробой.

Электрический пробой в жидкостях или газах называют еще электрическим разрядом. По сути такой разряд формируется разрядным током конденсатора, образованного электродами, к которым приложено пробивное напряжение.

В этом контексте пробивным напряжением Uпр называется такое напряжение, при котором начинается электрический пробой, и значит электрическую прочность можно найти по следующей формуле (где h – толщина пробиваемого образца):

Очевидно, пробивное напряжение в каждом конкретном случае связано с электрической прочностью рассматриваемого диэлектрика и зависит от толщины промежутка между электродами. Соответственно, с увеличением промежутка между электродами увеличивается и значение пробивного напряжения. В жидких и газообразных диэлектриках развитие разряда при пробое происходит по разному.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков

В процессе пробоя большого промежутка в газовом диэлектрике, друг за другом следуют несколько стадий:

1. В газовом промежутке, в результате фотоионизации молекулы газа, непосредственно из металлического электрода, или случайно, появляется свободный электрон.

2. Появившийся в промежутке свободный электрон разгоняется электрическим полем, энергия электрона при этом растет, и в конце концов становится достаточной для ионизации нейтрального атома при соударении с ним. То есть происходит ударная ионизация.

3. Вследствие множества актов ударной ионизации образуется и развивается электронная лавина.

4. Образуется стример — плазменный канал, сформированный положительными ионами, которые остались после прохождения лавины электронов, и отрицательными, которые теперь втягиваются в положительно заряженную плазму.

5. Емкостный ток через стример вызывает термоионизацию, и стример преобразуется в лидер.

6. При замыкании разрядного промежутка каналом разряда происходит главный разряд.

Если разрядный промежуток достаточно мал, то процесс пробоя может закончиться уже на стадии лавинного пробоя или на стадии образования стримера — на стадии искры.

Электрическую прочность газов определяют:

Расстояние между электродами;

Давление в пробиваемом газе;

Сродство молекул газа к электрону, электроотрицательность газа.

Связь с давлением объясняется так. С ростом давления в газе, расстояния между его молекулами уменьшаются. Электрону при разгоне необходимо на длине свободного пробега, гораздо меньшей, приобрести ту же энергию, которой хватит для ионизации атома.

Данная энергия определяется скоростью электрона при соударении, а скорость развивается за счет ускорения силой, действующей на электрон со стороны электрического поля, то есть за счет его напряженности.

Кривая Пашена показывает зависимость величины пробивного напряжения Uпр в газе от произведения расстояния между электродами и давления — p*h. Например, для воздуха при p*h = 0,7 Паскаль*метр, пробивное напряжение составляет около 330 вольт. Рост пробивного напряжения левее этого значения обусловлен тем, что вероятность столкновения электрона с молекулой газа снижается.

Сродством к электрону называется способность некоторых нейтральных молекул и атомов газов присоединять к себе дополнительные электроны, и становиться отрицательными ионами. В газах, обладающих атомами с высоким сродством к электрону, в электроотрицательных газах, электронам необходима большая энергия разгона для формирования лавины.

Известно, что в нормальных условиях, то есть при обычных температуре и давлении, электрическая прочность воздуха в промежутке длиной 1 см составляет приблизительно 3000 В/мм, но при давлении в 0,3 МПа (в 3 раза больше обычного) электрическая прочность того же воздуха становится близкой к 10000 В/мм. Для элегаза, электроотрицательного газа, электрическая прочность в нормальных условиях составляет приблизительно 8700 В/мм. А при давлении в 0,3 МПа достигает 20000 В/мм.

Электрическая прочность жидких диэлектриков

Что касается жидких диэлектриков, то их электрическая прочность не связана напрямую с химическим строением. А главное, что влияет на механизм пробоя в жидкости — это очень близкое, по сравнению с газом, расположение ее молекул. В жидком диэлектрике невозможна ударная ионизация, типичная для газов.

Энергия ударной ионизации приблизительно равна 5 эВ, и если выразить эту энергию как произведение напряженности электрического поля, заряда электрона и длины свободного пробега, которая равна примерно 500 нанометров, а затем вычислить из нее электрическую прочность, то получится 10000000 В/мм, а реальная электрическая прочность для жидкостей лежит в диапазоне от 20000 до 40000 В/мм.

Электрическая прочность жидкостей в реальности зависит от количества в этих жидкостях газа. Также электрическая прочность зависит от состояния поверхностей электродов, к которым приложено напряжение. Пробой в жидкости начинается с пробоя мелких пузырьков газа.

У газа диэлектрическая проницаемость значительно ниже, поэтому напряженность в пузырьке оказывается выше, чем в окружающей его жидкости. При этом электрическая прочность у газа ниже. Разряды в пузырьках приводят к росту пузырьков, и в конце концов, в результате частичных разрядов в пузырьках происходит пробой жидкости.

Большую роль в механизме развития пробоя жидких диэлектриков играют примеси. Рассмотрим, например, трансформаторное масло. Сажа и вода, в качестве проводящих включений, снижают электрическую прочность трансформаторного масла.

Вода хоть и не смешивается обычно с маслом, но мельчайшие ее капельки в масле под действием электрического поля поляризуются, образуют цепочки повышенной, по сравнению с окружающим маслом, электропроводности, в итоге по цепочке и происходит пробой масла.

Для определения электрической прочности жидкостей, в лабораторных условиях применяют электроды в форме полусфер, радиус которых в несколько раз превышает расстояние между ними. В промежутке между электродами создается равномерное электрическое поле. Типичное расстояние — 2,5 мм.

Так, чтобы повысить электрическую прочность жидкого диэлектрика необходимо:

Очистить жидкость от твердых проводящих частиц, таких как уголь, сажа и т. д.;

Устранить из жидкого диэлектрика воду;

Провести дегазацию жидкости (вакуумировать);

Повысить давление в жидкости.

Электрическая прочность твердых диэлектриков

Электрическая прочность твердых диэлектриков связана с временем, в течение которого приложено пробивное напряжение. И в зависимости от времени воздействия напряжения на диэлектрик, и от физических процессов, которые в это время происходят, различают:

Электрический пробой, возникающий через доли секунд после приложения напряжения;

Тепловой пробой, возникающий через секунды или даже через часы;

Пробой вследствие частичных разрядов, время его воздействия может составлять более года.

Механизм пробоя твердого диэлектрика заключается в разрыве химических связей в веществе под действием приложенного напряжения, с превращением вещества в плазму. То есть можно говорить о пропорциональности между электрической прочностью твердого диэлектрика и энергией его химических связей.

Твердые диэлектрики зачастую превышают по значению электрической прочности жидкости и газы, например изоляционное стекло обладает электрической прочностью около 70000 В/мм, поливинилхлорид — 40000 В/мм, а полиэтилен 30000 В/мм.

Причина теплового пробоя кроется в разогреве диэлектрика из-за диэлектрических потерь, когда энергия потерь по мощности превосходит энергию, отводимую от диэлектрика.

С повышением температуры растет число носителей, растет проводимость, угол потерь возрастает, в связи с этим температура повышается еще больше, электрическая прочность падает. В итоге из-за разогрева диэлектрика происходящий пробой получается при напряженности более низкой, нежели без разогрева, то есть если бы пробой был чисто электрическим.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электрическая прочность диэлектриков

На рис. 7.18 показана типичная зави­симость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного на­пряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U_пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. В зависимости от свойств изоляции и мощности источника элект­рической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощно­сти источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подоб­ные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплав­ленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому об­разцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то про­бой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем U_прпервого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_пр,таккак атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процес­се пробоя частицы.

Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то E_пр=U_пр/h, где Е_пр – электрическая прочность, В/м; U_np – пробивное напряжение, В; h – расстоя­ние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в кило­вольтах, толщину диэлектрика – в миллиметрах, а электрическую прочность – в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедли­вы следующие соотношения: 10 6 В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

Экспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образ­ца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и време­ни воздействия приложенного напря­жения. Значение Е_пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от Е_прна переменном, а также различаются значения Е_прна импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину Е_пр влияют и другие фак­торы. Определение электрической прочности проводится стандар­тизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е_пртвердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения по­верхностного пробоя можно проводить определение Е_прна образ­цах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансфор­маторном масле. На рис. 7.19 приведены формы и размеры ряда об­разцов для определения Е_пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U_пр, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 7.19, б) и цилиндрического (рис. 7.19, д) образцов.

В качестве электродов могут ипользоваться массивные метал­лические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей ста­ли, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и транс­форматорном масле фольговые, напыленные в вакууме металличе­ские, графитовые и другие электроды. Для получения в месте про­боя однородного поля диаметр D₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D верхнего электрода (рис. 7.19, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диа­метрами (рис. 7.19, в). Однородное поле в тонких пленочных образ­цах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 7.19, г). Для определения E_пржидких диэлектриков используют специаль­ные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специ­альных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни (рис. 7.20).

Измерение U_пробразцов диэлектриков производится на испы­тательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 7.21.

Установка для измерения U_прпри частоте 50 Гц (рис. 7.21, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения на­пряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансфор­матора плавно или ступенями изменяется с помощью автотранс­форматора АТ. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защит­ный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора Т. Напряже­ние на образце измеряется вольтметром V, который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной ус­тановки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток ко­роткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких ди­электриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмот­ке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансфор­матора и резисторе R опасно для жизни. Поэтому трансформатор Т, резистор R и испытательное поле, на котором расположены обра­зец 1, электроды 2, 3,размещают в защитной камере ЗК.

В ходе определения Е_пр напряжение на низковольтной обмотке плавно или ступенями повышают и фиксируют напряжение пробоя по вольтметру V. В цепи низкого напряжения предусмотрено авто­матическое устройство, которое отключает питание установки в мо­мент пробоя. Сигнальная лампа СЛ указывает на включение и от­ключение установки.

Для измерения U_пр на постоянном токе (рис. 7.21, б) в цепь вы­сокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденса­тор С_ф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополупериодной схеме выпрямления.

Число пробоев при испыта­ниях оговаривается техничес­кими условиями на свойства материалов. Однако в любом случае число пробоев должно быть не менее 5. а при испытании узких и ленточных материалов электродами с диаметром 6 мм число пробоев должно быть не менее 10. В том случае, если отдельные результаты отличаются от среднего арифметического более чем на 15%, число пробо­ев увеличивается в два раза.

Физическая природа пробоя диэлектриков.Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах. Раз­рушительное воздействие частичных разрядов на диэлектрик обу­словлено многими факторами: окисление полимерных диэлектриков; электроны и ионы производят механическое разрушение; оксиды азота и озон химически разрушают полимер; тепловое воздействие разряда.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при температурах, когда они находятся в высокоэластичном состоянии. Под действием сил электростати­ческого притяжения, происходит механическое сдавливание диэлектри­ка, уменьшение его толщины. При достижении критической дефор­мации происходит механическое разрушение образца.

Электромеханический пробой является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые об­ласти диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее на­гретых областей. В результате в диэлектрике возникают механи­ческие напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Пробой газообразных диэлектриков.Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоко­вольтных выключателей, изоляторов линий электропередачи и дру­гих электротехнических устройств.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоля­ционными свойствами только при низких напряжениях. В сильных электрических полях, когда начинается процесс ударной иониза­ции, проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации мо­лекул или атомов различных газов изменяется от 4 до 25эВ. Та­кую энергию имеет электрон, если скорость его движения равна 1000км/с.

Пробой развивается следующим образом. Под действием внеш­него ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ио­низацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 10 5 м/с первичная электронная лавина. На пути следо­вания лавины образуется канал, состоящий из электронов и поло­жительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

В ряде случаев ускоренный полем электрон при столкновении с частицами газа передает им свою энергию, однако ионизации не происходит. Энергия затрачивается на перевод в возбужденное состояние электронов в атомах или молекулах. В последующем электроны возвращаются в невозбужденное состояние, а запасенная избыточная энергия излучается в виде кванта света, фотона. Фото­ны образуются и в результате рекомбинации электронов и ионов. Фотоны распространяются со скоростью света (3·10 8 м/с), и их энергия в некоторых случаях достаточна, чтобы произвести фотоионизацию других атомов или молекул, расположенных далеко впе­реди фронта первичной лавины. В результате появляются вторичные, образовавшиеся за счет фотоионизации электроны, которые в свою очередь начинают процесс ударной ионизации и порождают новые электронные лавины, расположенные далеко впереди фронта пер­вичной лавины.

Отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электро­ны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состо­ит из положительных ионов и его называют стримером. Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия – головки стримера – напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. В результате область близ головки стримера превраща­ется в электропроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Часть электронов рекомбинирует с ионами, по­рождая фотоизлучение, которое вызывает вторично фотоионизацию. Образующиеся фотоэлектроны рождают новые, дочерние электрон­ные лавины, и стример перемещается к катоду, а генерируемые фо­тоэлектроны втягиваются в область, занятую положительными ио­нами, превращая ее в электропроводящую плазму. Стример пере­мещается к катоду со скоростью 10 6 м/с, достигает его, и электропроводящий плаз­менный канал замыкает разрядный промежуток. В результате уда­ров положительных ионов на поверхности катода образуется катод­ное пятно, излучающее электроны, которые со скоростью 10 7 м/с распространяются по электропроводящему плазменному каналу к аноду. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как ис­кра (искровой разряд). Пробивным напряжением газа является на­пряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощ­ность источника напряжения достаточна для поддержания испаре­ния металла катода и мощного дугового разряда, то между элект­родами загорается электрическая дуга (дуговой разряд).

Для пробоя газа в однородном поле характерны зависимости электрической прочности от плотности газа и расстояния между электродами. Плотность газа прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Пробой газа в неоднородном поле отличается от пробоя в одно­родном. Неоднородное поле образуется между острием и плоско­стью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхно­стями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. В тех местах между электродами, где напряженность имеет повышенное значение, начинается ударная ионизация уже при напряжениях, меньших характерного для данного промежутка пробивного напряжения. В результате возникает и локализуется в ограниченной зоне разряд в виде короны. Такую форму разряда называют неполным пробоем газа. Ионизированная плазма является проводником и. следовательно, продолжением электрода, около которого возникает корона. Из-за этого форма электрода изменяется так, что электри­ческое поле около него выравнивается. Максимальная напряжен­ность электрического поля становится равной напряженности, ми­нимально необходимой для ударной ионизации. Поэтому корона не распространяется на весь разрядный промежуток. При повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточ­ной мощности источника – в дуговой.

Пробой жидких диэлектриков.Природа пробоя жидких диэлект­риков во многом зависит от их чистоты.

Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электро­нов в жидкий диэлектрик с катода и образования электронных ла­вин. В ходе распространения лавин возникают стримероподобные образования, которые в результате процессов фотоионизации пере­мещаются от анода к катоду со скоростью 10 5 м/с. Пробой заверша­ется, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости существенно больше плотности газа; следовательно, длина свободного пробега электро­нов, производящих ионизацию, здесь меньше. Поэтому энергию, достаточную для ионизации, элект­рон приобретает при напряжен­ности в 100 раз большей, чем в га­зах. В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микро­объемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увели­чивается, включения сливаются, образуя между электродами мо­стик, по которому проходит разряд в газе. Газы имеют малый ко­эффициент теплопроводности. Следовательно, слой газа на электро­дах образует участок с большим тепловым сопротивлением. В ре­зультате температура близ границы раздела жидкость – газ по­вышается, что приводит к вскипанию жидкости, а далее и к ее про­бою. В процессе пробоя жидкости с большим содержанием газа (га­зовые включения), которые первоначально имеют сферическую фор­му, в электрическом поле деформируются. При деформации они превращаются в эллипсоиды вращения, удлиняются и сливаются образуя сплошной газовый канал между электродами, что приводит к пробою.

В загрязненной твердыми частицами жидкости частички загряз­нений – волоконца, сажа, продукты разрушения твердой изоля­ции в электрическом поле – поляризуются, втягиваются в меж­электродное пространство и, так же как эмульсионная вода, обра­зуют между электродами сплошные цепочки с пониженным элект­рическим сопротивлением. По этим цепочкам и проходит разряд.

В жидкихдиэлектриках, содержащих воздушные включения, протекают и процессы химического разложения жидкости под дей­ствием ионизации. Такое явление называется вольтализацей жидко­сти. В качестве электроизоляционных широко используются жид­кости, состоящие из непредельных углеводородов. В ходе вольтализации таких жидкостей увеличиваются молекулярная масса и вяз­кость, выделяется водород, т.е. растет объем газовой фазы.

Про­цесс ионизации газа во включе­ниях протекает в электрических полях намного меньших Е_пр жидкости, поэтому такой вид про­боя откосят к электрохимичес­кому. Эти процессы обусловливают электрическое старение жидких диэлектриков. Время подготовки пробоя в ходе вольтализации достигает 10 5 с и более.

Величина Е_пр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попа­дает в объем между электродами. Такое уменьшение Е_пр характерно для бумаг, картонов и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным элект­рическим сопротивлением, для пори­стых керамик, где возможна иониза­ция газа в порах.

Для электротеплового пробоя ха­рактерно следующее: электрическая прочность Е_пр снижается при длительной выдержке под напряжением диэлектрик нагревается за счет диэлектрических потерь больше; при увеличении толщины уменьшается теплоотвод от образца в окружающую сре­ду. На постоянном напряжении диэлектрические потери вызываются электропроводностью и определяются электрическим сопротивле­нием образца и ростом теплоты. Для плоского конденсатора потери рассчитывают по формуле ). На переменном напряжении потери можно рассчитать по формуле:

.

Механизмы электрохимического пробоя различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

Основной причиной электрического старения полимеров явля­ются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном нанапряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают различные процессы, которые приводят к разрушению ди­электрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов – трубочек, заполненных образующимся в результате разложения полимера. Дендриты в ходе роста ветвятся и с течением времени пронизывают всю толщу диэлектри­ка, замыкая электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпок­сидных смол. Если изоляция работает в условиях повышенной влажности, то могут развиваться и водные дендриты. В слоистой изоляции на основе полимерных пленок под действием частичных разрядов происходит разрушение поверхности пленки. В результа­те уменьшения толщины уменьшается ее пробивное напряжение. Старение неорганических диэлектриков протекает более интен­сивно на постоянном напряжении.

Скорость процесса электрического старения возрастает при уве­личении напряженности электрического поля. Время τ_ж развития электрохимических процессов элек­трического старения при посто­янной температуре органических и неорганических диэлектриков можно рассчитать по эмпиричес­кой формуле , где А – постоянная, зависящая от условий старения; т — показатель, оп­ределяемый экспериментально и изменяющийся в широких преде­лах: 3—14. Время жизни уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону , где W – энергия активации процесса старения, Дж; R — постоянная Больцмана, Дж/К; Т- температура, К.

Изменение электрической прочности при облучении. Электри­ческая прочность при электрической форме пробоя не изменяется, если в материале под действием ионизирующих излучений не про­изошли необратимые физико-химические процессы деструкции ма­териала.

Ионизирующие излучения большой мощности вызывают нагрев вещества и уменьшают его теплопроводность, что снижает Е_пр при тепловом пробое диэлектрика. При облучении в диэлектрике мо­гут наблюдаться газовыделение и ионизация газа в порах. Эти про­цессы ускоряют разрушение и снижают электрическую прочность диэлектрика, как и частичные разряды, возникающие в диэлектри­ке в электрическом поле.

Глубина необратимых превращений в структуре и сопутствую­щее им снижение электрической прочности электроизоляционных материалов зависят от поглощенной дозы ионизирующих излуче­ний. Электрическая прочность деструктирующихся при облучении полимеров уменьшается при такой поглощенной дозе, когда резко ухудшаются их механические свойства. В полимерах, которые при облучении сшиваются, Е_пр уменьшается при такой поглощенной до­зе, где образец разрушается в результате нарастания хрупкости.

Поверхностный пробой. В электроизоля­ционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изо­ляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагопри­ятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона.

Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределе­ния потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности воз­никают мощные искры, под действием которых в материале могут об­разовываться проводящие каналы – треки.

Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов,

называется трекингом диэлектрика. Способность диэлект­рика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга характеризуется трекингостойкостью. Трекингостойкость опре­деляется повремени t_тр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них U_тр, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного зна­чения I_тр

Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает по­верхность неорганических диэлектриков. Однако при мощном дуго­вом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев даже фарфоровых изоляторов, а поверхность органических диэлектри­ков обугливается и на ней образуется сплошной проводящий след.

Способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств называют дугостойкостью. Дугостойкость диэлектрика на перемен­ном напряжении частоты 50 Гц определяется током дуги I_д и вре­менем t_д. При определении t_д близ поверхности плоского образца ди­электрика размещают два электрода, к которым приложено напря­жение 1000 В, и горит дуга, ток которой равен I_д. Возникающая дуга воздействует на поверхность диэлектрика, в результате чего через время t_д на поверхности образуется токопроводящая перемычка.

При разработке многих электроизоляционных изделий их поверхность конструируется такой, чтобы предотвратить при загрязнении и увлажнении образование поверхностных искровых разрядов и короны. Например, поверхность изоляторов выполняется ребристой, что удлиняет путь поверхностного разряда, а следовательно. повышает его напряжение. Ребра изолятора образуют также и уча­стки на его поверхности, защищенные от смачивания во время дождя.

Напряжение поверхностного перекрытия диэлектрика в газе может быть увеличено, если повысить давление.

Источник