1.16. Пробій твердої ізоляції

Електрична міцність твердої ізоляції вище, ніж газоподібної й рідкої U_{пр тв} >U_{пр ж} >U_{пр м.}

Електрична міцність твердої ізоляції залежить від:

1) форми електричного поля;

2) виду напруги й полярності;

3) часу впливу напруги;

4) однорідності діелектрика;

5) електрофізичних характеристик (полярний-неполярний, tgδ, ε , γ і ін.);

6) температури.

Розрізняють три види пробою твердого діелектрика:

1) електричний — Е~10²–10³ кв/мм;

2) тепловий — Е~10–10² кв/мм;

3) старіння — Е~10 кв/мм і менше.

Тверда ізоляція містить у собі всі види твердих діелектриків від плівок до товстої монолітної.

У табл. 1.5 наведені деякі характеристики твердої ізоляції, які можуть бути затребувані в процесі її експлуатації.

Ел. харак-теристики	Мех. харак-теристики	Теплові ха-рактеристики	Хім. харак-теристики	Інші
Uпр Uпер Uраб Ucухо разр ρV, ρS tg δ t = f(E, f)	σраст σсж σизг Твердість Гнучкість Еластич-ність	Ткип Тплавл Тзаст Теплопро-відність Теплоємність Tеплове розширення	Стабільність Розчинність Дія на ін. диелектр.	Питома вага Абсорбція вологи Дія поромі­нення, мікроорга- нізмів й ін.

Найбільш сильний вплив на електричну міцність твердої ізоляції мають час додатка напруги, температура, товщина. Залежність пробивної напруги від часу додатка напруги називається вольт-часовою характеристикою. Вона наведена на мал. 1.27.

На кривій виділяють 4 області. Області I і II відповідають електричному пробою. Час прикладення напруги t < 0,1 с. Різке зростання пробивної напруги в I області обумовлено запізнюванням розвитку розряду щодо часу додатка напруги. Область III характеризується різким спадом пробивної напруги, що говорить про переважну роль теплових процесів. Область IV - повільне зниження пробивної напруги зі збільшенням часу впливу пов'язане з повільними процесами старіння, деградації твердої ізоляції.

Електрична міцність Е_пр твердої ізоляції зростає зі зменшенням її товщини й особливо швидко в області мікронних товщин. Цей ефект використовують в ізоляції конденсаторів, кабелів, вводів і ін. Вплив температури наочно ілюструється мал. 1.28, де наведена залежність електричної міцності порцеляни від температури. Видно, що до температури ~+75°C пробивна напруженість порцеляни E_ПР практично не змінюється (область А). Подальше збільшення температури приводить до різкого зменшення Е_ПР (область Б).

Розвиток теплового пробою у твердому діелектрику в загальних рисах може бути представлене у вигляді наступної послідовності:

U_д → I_д→ T_д ↑ → γ↑ і tg δ ↑ → I_д ↑ → T_д ↑ і т.д.

де

U_д — напруга, прикладена до ізоляції;

I_д — струм, що тече через ізоляцію;

T_д — температура ізоляції;

γ - провідність ізоляції;

tg δ - діелектричні втрати в ізоляції.

Рис. 1.27. Вольт-часова характеристика твердої ізоляції: I — електричний пробій, запізнювання розвитку каналу розряду; II — електричний пробій, t < 0,1 c, не залежить від температури; III — тепловий пробій, t > 0,1 з, різке зниження Uпр у часі; IV — старіння, Uпр мало змінюється, а час до пробою зростає значно

Рис. 1.28. Залежність пробивної напруги від температури для порцеляни (частота напруги 50 Гц)	Рис. 1.29. Зміна виділеного Q1 і що відводить Q2 тепла в ізоляції при різних U

Суть теплового пробою ізоляції можна представити у вигляді мал. 1.29, де Q₁ — тепло, виділене в ізоляції за рахунок джоулевих і діелектричних втрат, Q₂ — тепло, що відводиться від ізоляції, у навколишнє середовище.

Тепло яке виділилось визначається, як

Q₁ = ω C tg δ U₂, (1.50)

а відведене тепло,як

Q₂ = k S (T–T₀), (1.51)

де

ω - кутова частота;

С — ємність виробу;

tg δ - діелектричні втрати в ізоляції;

k — коефіцієнт теплопередачі;

S — площа поверхні ізоляції;

Т₀ — температура навколишнього середовища;

Т — температура усередині діелектрика.

Зміна прикладеної напруги до ізоляції приводить до зміни втрат у ній. На мал. 1.29 Q₁(U₁), Q₁(U₂), Q₁(U₃) — тепло, виділене при U₁ < U₂ < U₃, а Q₁ — тепло, відведене від ізоляції.

Для U₁ при T₁ + ΔT −Q₂ > Q₁ — немає нагрівання.

Для U₂ при T₂ + ΔT −Q₂ < Q₁ — тепловий пробій.

Для U₃ — завжди тепловий пробій.

Т₂ — крапка теплової рівноваги. Робоча температура Т_раб < T₂.