Билет №17. Механизм пробоя жидких диэлектриков.

Жидкие диэлектрики отличаются более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях. Механизм пробоя и электрическая прочность жидких диэлектриков, прежде всего, зависит от их чистоты.

Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: холодной эмиссии электронов с катода и последующей ударной ионизации. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей (в них возможно присутствие таких примесей как газы, вода и твердые частицы.) определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей.

Пробой жидкостей, содер­жащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирую­щихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами.

Если в жидкий диэлектрик попала вода в виде отдельных мелких капелек, Е_пр также значительно снижается: под влиянием электри­ческого поля сферические капельки воды - сильно полярной жид­кости - поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, при­тягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. В качестве критерия пробоя Гемантом принято условие 60…70 % перекрытия межэлектродного пространства.

Механизм пробоя жидкого диэлектрика с твёрдыми (в том числе и проводящими) примесями был предложен А.Ф. Вальтером. При приложении электрического поля в местах скопления твёрдых частиц за счёт диэлектрических потерь происходит разогрев, в результате которого жидкость вскипает с выделением газообразных продуктов. Поскольку электрическая прочность газа гораздо ниже электрической прочности жидкого диэлектрика, пробой будет происходить по этим газовым включениям.

Кроме того наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате, пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности. Резкое снижение Е_пр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля.

Билет №18. Тепловой пробой в твердых диэлектриках.

Электротепловой (тепловой) пробой – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Величина пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала с точки зрения электрической прочности. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др.

Кроме того, тепловое пробивное напряжение U_пр зависит от теплостойкости материала. Органические диэлектрики (например, полиэтилен, полистирол), при прочих равных условиях, имеют более низкую электрическую прочность при электротепловом пробое, чем неорганические (кварц, керамика) вследствие малой теплостойкости.

Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика вследствие диэлектрических потерь Р_д, будет определяться по формуле (4.7).

Тепловая мощность, отводимая от образца (мощность теплоотдачи), пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур образца Т и окружающей среды Т_о:

P_т = σ S (T – T_о), (5.5)

где σ – коэффициент теплоотдачи.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графиком, показанным на рис. 5.12.

Изначально диэлектрик, не находящийся в электрическом поле имеет температуру окружающей среды Т_о. Если на него подать напряжение U₁, в нем появляются диэлектрические потери Р_д, которые превышают мощность теплоотдачи Р_т и температура диэлектрика начнет увеличиваться. Рост температуры продолжается до значения Т₁ при которой наступит баланс выделяемой и отводимой мощности Р_д = Р_т.

Температура Т₁ соответствует состоянию устойчивого теплового равновесия: если бы по каким-либо причинам температура диэлектрика хотя бы немного превысит значение Т₁ отводимая мощность Р_т окажется больше мощности тепловыделения Р_д и образец самопроизвольно возвратиться в устойчивое состояние (к температуре Т₁).

Рис 5.12 Зависимость мощности, выделяемой в диэлектрике Р_д и

отводимой мощности Р_т от температуры

Температура Т₁^' соответствует состоянию неустойчивого теплового равновесия: даже при ее незначительном превышении диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к его разрушению (плавлению, сгоранию и т.п.).

Если увеличить подаваемое на диэлектрик напряжение до такого значения U₂, при котором пря­мая теплоотдачи Р_т окажется касательной к кривой тепловыделения Р_д, в тепловом режиме диэлектрика окажется возможным только неустойчивое тепловое равновесие (Т₂). При значении приложенного напряжения большем U₂ никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлект­рика.

Таким образом, напряжение U₂ при котором имеет место не­устойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя U_пр.

В общем случае тепловой пробой - более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем приле­гающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам на­пряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопро­водность материала электродов.

При тепловом пробое электрическая прочность диэлектрика с увеличением толщины снижается (рис. 5.13). Это обусловлено ухудшением условий теплоотвода из «глубинных» слоёв диэлектрика за счёт низкой теплопроводности.

С увеличением температуры окружающей среды, величина электрической прочности твёрдых диэлектриков при электротепловом пробое будет снижаться за счёт ухудшения условий теплоотдачи в окружающую среду (рис. 5.14).

Рис 5.13 Зависимость Е_пр твердого Рис 5.14 Зависимость Е_пр твердого

диэлектрика от его толщины диэлектрика от температуры

(тепловой пробой) (тепловой пробой)