Лабораторно – практическое занятие №3

Тема: Определение электрической прочности твердых диэлектриков

Цель: Определения и исследование электрической прочности композиционных (слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты

В литературе приводятся различные механизмы пробоя твердых диэлектриков, но при пробое твердых диэлектриков, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя. В чистом виде при пробое ни один из механизмов не встречался.

Электрический пробой – разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрушение связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10^-5-10^-8с.

Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электромеханический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электрохимический пробой – происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10³-10⁸с.

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след – трекинг.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции – необратимых процессов под действием тепла, и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

Eпр= Uпр /d,

где Eпр, В/м; Uпр - пробивное напряжение, В; d – толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в МВ/м или КВ/м.

Для экспериментального исследования пробоя используют электроды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испытания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однородность поля обеспечивает обычно путем придания поверхности электродов определенной формы, например сферической с радиусом R, значительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электрического поля в средней чести между электродами.

Приблизительно однородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подвергнуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя диэлектриков этот процесс проводят в однородном и неоднородном электрических полях. Для получения неоднородного поля используют электроды типа острие-острие или острие-плоскость. Значение Uпр в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значения напряженности поля Eср= Uпр /h вблизи электрода с малым радиусом кривизны.

Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньших напряжениях, чем на постоянном. Этому способствует также и наличие воздушных включений, неизбежных в многослойных диэлектриках, в котором на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению электрической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азоты, разрушающие бумагу. Этот процесс называют старением.

В зависимости электрической прочности от числа листов пропитанной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для пакета из 6-7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в самом диэлектрике. Рост Епр в таком случае можно связать с уменьшением вероятности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете. В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напряжения и электрической прочности, а также определение разброса – разности между максимальной и минимальной измеренными величинами. Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности, характеризующую идеальный диэлектрик и, по-видимому, мало отражающую прочность реальных материалов; область модальных значений, отражающую процессы в реальном диэлектрике с внутренне присущими ему микроскопическими дефектами; область минимальных пробивных значений, соответствующую минимальным вероятностям разрушения изоляции. Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соответствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными.

Электрическая изоляция не может без вреда для себя выдерживать неограниченно высокое напряжение. Если мы будем повышать приложенное к изоляции напряжение, то, в конце концов, произойдет пробой изоляции. При этом ток проводимости, идущий через изоляцию, чрезвычайно резко возрастает, а сопротивление ее снижается, так что практически мы получаем короткое замыкание между электродами, к которым подве­дено напряжение.

Зависимость тока через изоляцию I от напряжения U (вольтамперная характеристика изоляции) имеет точку пробоя П. Наибольшее напряжение U_пр, которое было приложено к изоляции в момент пробоя, называется пробивным напряжением изоляции.

Дальнейшие явления, имеющие место в изоляции после пробоя, определяются как характером изоляционного материала, так и мощностью источника электрической энергии. В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения диэлек­трика, а также и электродов. После снятия напряжения в твердом диэлектрике может быть обнаружен след пробоя в виде пробитого (откуда и название «пробой»), проплавленного, прожженного или тому подобного отверстия, вообще говоря, неправиль­ной формы. При повторном приложении напряжения к подвергавшейся пробою твердой изоляции оказывается, что пробой по уже пробитому месту происходит, как правило, при сравнительно весьма малом напряжении. Таким образом, пробой твердой изоляции в электрической машине, аппарате, кабеле и т. п. означает аварию, выводящую данное устройство из строя и требующую серьезного ремонта. Если же пробой происходил в жидком или газообразном диэлектрике, то в силу большой подвижности частиц после снятия напряжения пробитый участок диэлектрика полностью восстанавливает свою первоначальную величину пробивного напряжения (конечно, если мощность и длительность электрической дуги не были настолько значи­тельны, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем его объеме).

Пробивное напряжение изоляции зависит от ее толщины, т. е. от расстояния меж­ду электродами h.\ Чем толще слой данного электроизоляционного материала, тем выше его пробивное напряжение. В то же время слои одной и той же толщины из разных электроизоляционных материалов имеют весьма различные значения пробивных напряжений. Это даёт основание для введения характеристики материала, определяющей его способность противостоять пробою - электрической прочности или пробивной прочности Е_пр.

Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектрике можно принять:, .

Таким образом, электрическая прочность диэлектрика может рассматриваться как пробивная напряженность электрического поля, т. е. та величина напряженности поля в диэлектрике, при достижении которой происходит его пробой.

В большинстве случаев величина Е_пр зависит от h, т. е. возрастает с увели­чением толщины не линейно, а медленнее. Еще более сложным оказывается вопрос об определении при неоднородном электрическом поле в изоляции

Пробивная прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем жидких, и, тем более, чем газообразных диэлектриков. Поэтому, если расстояние между ближайшими друг к другу точками электродов 1 и 2 по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит кратчайшее расстояние между электродами сквозь изоляцию а, то при повышении приложенного к изоляции напряжения может произойти в первую очередь не пробой сквозь толщу изоляции (стрелка а), а поверхностный разряд или перекрытие изоляции, т. е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного (например, воздуха) или жидкого диэлектрика (стрелка б).

Для надежной работы любой электрической машины, аппарата или другого элек­трического устройства рабочее напряжение ее изоляции Uраб должно быть меньше пробивного напряжения. Отношение называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции.

Физическая природа пробоя диэлектриков

По физической сущности развития пробоя различаются два основных, наиболее распространенных на практике, вида про­боя: тепловой и чисто электрический пробой.

Тепловой пробой связан с нагревом диэлектрика за счет диэлектрических потерь. Этот вид пробоя развивается следующим образом: когда на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется тепло потерь, температура его возрастает. Вследствие этого потери еще более увеличиваются, и процесс идет усили­ваясь, до тех пор, пока диэлектрик не разогреется настолько, что он будет разрушен (расплавлен, обуглен и т. п. в зависимости от природы материала) и в нем устано­вится большой ток, что, собственно, и представляет собой пробой. При этом, вообще говоря, нет надобности в том, чтобы был сильно разогрет весь объем диэлектрика: для возникновения пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место диэлектрика, в котором хуже теплоотдача или удельные потери повышены, а средняя температу­ра диэлектрика может оставаться мало отличающейся от начальной.

Электрический пробой объясняется непосредственным разрушением структуры диэлектрика силами электрического поля.

В ряде случаев встречаются явления пробоя, не укладывающиеся в рамки картин теплового и электрического пробоя, например, электрохимический пробой, вызываемый химическими изменениями в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического напряжения (электролиз в диэлектрике, влияние озона при возникновении короны и т. п.).

В одном и том же материале при изменении условий пробоя (температуры, частоты напряжения, условий охлаждения и пр.) может наблюдаться изменение характера пробоя.

Различия в характере пробоя относятся лишь к развитию пробоя. После того как пробой уже произошел, дальнейшие явления (образование электрической дуги, рас­плавление, обгорание, растрескивание и т. п. материала) объясняются уже природой материала и мощностью источника электрической энергии, но не имеют связи с физи­ческим механизмом развития пробоя.

Зависимость пробивного напряжения и пробивной прочности от различных факторов

Зависимость от времени приложения напряжения. Развитие теплового про­боя требует накопления в диэлектрике тепла, на что нужно некоторое время — тем меньше, чем больше приложенное к диэлектрику напряжение. Зависимость пробивного напряжения (для теплового механизма пробоя) от времени приложения напряжения (экспозиции) t называется «кривой жизни» изоляции.

Если мы приложим к диэлектрику напряжение U₁ на промежуток времени, меньший, чем t₁, и затем снимем напряжение, то диэлектрик еще не успеет разогреться и не будет пробит. Диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряже­ние, величина которого меньше, чем напряжение U_∞ , к которому асимптотически стремится при увеличении времени экспозиции.

При электрическом пробое, который разви­вается практически мгновенно, нет зависимости пробивного напряжения от времени выдержки, т. е. если пробой не произошел тотчас после приложения напряжения, то диэлектрик должен выдерживать ту же величину напряже­ния длительно (если не иметь в виду пробоя крат­ковременными, порядка 0,1… 1 мксек — импуль­сами напряжения).

Отношение «импульсного» пробивного напря­жения изоляции к пробивному напряжению при медленном подъеме напряжения называется коэффициентом импульса данной электроизоля­ционной конструкции. Коэффициент импульса за­висит от формы и размеров изоляции и электро­дов и от материала диэлектрика; как правило, коэффициент импульса больше единицы.

Зависимость от температуры. При повышении температуры пробивное напряже­ние в случае теплового пробоя уменьшается. В случае же электрического пробоя от температуры обычно практически не зависит; однако у некоторых кристаллических диэлектриков и при электрическом пробое обна­руживается имеющая максимум зависимость от температуры.

Электрическая прочность гигроскопичных диэлектриков зависит также от влаж­ности, уменьшаясь при возрастании последней.

В данной лабораторной работе для исследования влияния формы электродов на пробой твердых диэлектриков используются четыре типа электродов: плоскость-плоскость (верхний электрод - торец цилиндра, представляющий собой плоскость с закругленными краями); сфера большого и малого радиуса – плоскость; острие-плоскость.

Большое практическое значение имеет задача изучения электрической прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектриков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бумага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая прочность (Епр) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точечных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и прослойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия газовых включений.

Как на постоянном, так и на переменном токе Епр слоистого диэлектрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений.

Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном – удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределения напряженностей определяется формулами:

E1/E2= ε 2/ε1; E 1/E2= γ 2/ γ 1

Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлектрическая проницаемость εб=4,5, а у масла εм=2,2, и, соответственно, удельная электрическая проводимость γб=10^-11 (Ом•м^)-1, γм=10^-9 (Ом•м)^-1, то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на переменном токе напряженность электрического поля больше в слое масла , а на постоянном - в слое бумаге.

Испытание электрической прочности изоляции переменным напряжением промышленной частоты до 10 кВ проводится на универсальной пробойной установке УПУ-1М. Выходное напряжение, измеряемое киловольтметром, разбито на диапазоны 1, 3 и 10 кВ. Изменение диапазонов измерения производится переключателем.

Электрическая схема УПУ-1М