Исследование электрической прочности диэлектриков

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ГОУ ВПО ИГУ)
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
Исследование электрической прочности
диэлектриков
Методические рекомендации
Иркутск 2005 г
1
Печатается по решению учебно-методического совета ГОУ ВПО
Иркутского государственного университета
Рецензент: Доктор физ. – мат. наук, профессор кафедры электроники
твердого тела М.С. Мецик
Составители: Л.А. Щербаченко
В.А. Карнаков
С.Д. Марчук
доктор техн. наук, профессор
кафедры общей физики ИГУ
кандидат физ.- мат. наук, доцент
кафедры теоретической физики
ИГУ
старший преподаватель кафедры
радиоэлектроники ИГУ
Исследование
электрической
прочности
диэлектриков:
Методические рекомендации. – Иркутск: ИГУ, 2005. – с.11.
Предназначены для студентов физиков, специализирующихся в
области физики твердого тела. Методические рекомендации представляют
собой описание лабораторной работы и посвящены изучению
электрической прочности диэлектриков. В них содержится краткое
изложение теоретических основ пробоя диэлектрических материалов при
воздействии электрических полей, методов исследования электрической
прочности твёрдых и жидких диэлектриков.
2
Цель работы
1.
Изучить теорию пробоя и электрической прочности жидких и
твердых диэлектриков.
2.
Освоить установку АИИ-70 для пробоя диэлектриков при
частоте 50 Гц.
3.
Получить практические навыки в работе на установке АИИ-70
и провести исследование диэлектриков на электрическую прочность.
Общие представления об электрическом и тепловом пробое
диэлектриков.
Пробоем называется явление, приводящее в диэлектрике к
образованию канала с высокой электрической проводимостью. При пробое
диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства и в пробитом месте
становится проводником, сопротивление которого может варьировать от
единиц до тысяч Ом. В газообразных диэлектриках через некоторое время
после конвекции сопротивление восстанавливается до величины, близкой
к первоначальной Аналогичное явление
наблюдается и в жидких
диэлектриках. Среди твердых диэлектриков лишь некоторые (базальт,
воск, эпоксидная смола) восстанавливают электроизоляционные свойства в
месте пробоя.
При небольших напряженностях электрического поля сопротивление
диэлектрика не зависит от напряжения, зависимость плотности тока от
напряженности поля имеет линейный характер. При дальнейшем
повышении напряженности плотность тока резко увеличивается в
экспоненциальной зависимости, сопротивление падает. При пробое ток
растет с уменьшением напряжения. На рис.1 представлена вольтамперная
характеристика.
Состояние, при котором напряжение
I
резко падает, а ток растет до максимального
значения,
определяемого
мощностью
источника
или
ограничительными
устройствами (реле, резисторами), является
типичным признаком пробоя. При этом в
месте пробоя в газах образуется канал
газоразрядной
плазмы,
в
жидких
U
диэлектриках происходит вскипание и
Рис.1. Вольтамперная
газовыделение,
в
твердых
током
характеристика
прожигается или проплавливается отверстие
с выделением продуктов деструкции в твердом, жидком и газообразном
виде. Значение напряжения, при котором происходит пробой, называется
пробивным
напряжением
( U пр ),
а
соответствующее
значение
напряженности поля – пробивной напряженностью ( Е пр ). Пробивная
напряженность является мерой электрической прочности диэлектрика. Она
3
определяется величиной пробивного напряжения, отнесенного толщине
диэлектрика d в месте пробоя:
Е пр =
U пр
d
На величину пробивной напряженности поля влияют форма
электродов и, в соответствии с этим, однородность поля, длительность
действия напряжения, род тока (постоянный, переменный), частота,
температура, давление и влажность диэлектрика. По длительности
действия напряжения рассматривают четыре режима: а) равномерный со
скоростью 1 кВ/с; б) ступенчатый, с выдержкой на каждой ступени
напряжения от 1 до 10 мин; в) высокочастотный, с частотой от 10 до 1010
Гц; г) импульсный, со временем действия напряжения в каждом импульсе
10-7 – 10-8 с. По характеру процесса пробой диэлектриков подразделяется
на два основных вида: а) электрический; б) тепловой.
электрический пробой происходит в газах, неполярных жидких и твердых
диэлектриках и основывается на теории ударной ионизации и образовании
газоразрядной плазмы. Характерные признаки его:
1.
Перед пробоем нарушается закон Ома. Ток растет
экспоненциально с увеличением напряжения после точки ионизации:
I = I 0 e AU (формула Пуля) или I = I 0 e B U (формула Френеля).
2.
Пробивная напряженность не зависит от толщины образца
(вплоть до толщины 10-6 м).
3.
При импульсах длительностью меньше 10-7с наблюдается
возрастание пробивной напряженности.
4.
Пробивная напряженность меньше зависит от температуры,
чем при тепловом пробое.
5.
При неоднородном поле пробой происходит в месте
наибольшей напряженности, например, у края электрода.
6.
Пробой не зависит от времени действия приложенного
напряжения, даже близкого по значению к U пр .
Тепловой пробой основывается на экспоненциальной зависимости
тангенса угла диэлектрических потерь от температуры нагрева T , т.е.
tgδ = tgδ 0 e α (T −T ) , где T0 - температура окружающей среды. В этом процессе
имеет место цепная зависимость между экспоненциальным ростом
диэлектрических потерь и увеличением температуры нагрева диэлектрика.
Представим, что исследуемый диэлектрик имеет форму пластины.
Размеры пластины и электродов достаточно большие, электрическое поле
однородно и поток тепла, выделяемого в диэлектрике вследствие
диэлектрических потерь, направлен перпендикулярно к поверхности
пластины и электродов, находящихся на пластине. В состоянии равновесия
все тепло должно отводиться. При постоянном напряжении это можно
выразить уравнением αS (T p − T0 ) = 0,12 E 2γd , а при переменном – уравнением
2
Px tgδ = U 2ωCtgδ = αS (T p − T0 ) , где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м К; T p 0
4
рабочая температура диэлектрика, К; T0 - начальная температура
диэлектрика, К; γ -удельная теплопроводность, Ом-1; α - толщина
диэлектрика, м; Px - реактивная мощность, Вт; U - напряжение, В; ω угловая частота, Гц; C - емкость образца, Ф.
Если диэлектрик находится в тепловом равновесии, то теплового
пробоя не будет, так как количество выделяемого тепла равно количеству
отводимого.
Рабочее
и
пробивное
напряжения
определяются
выражениями:
U раб =
αS (T p − T0 )
αS (Tпр − T0 )
, U пр =
,
ωCtgδ p
ωCtgδ кр
где tgδ кр - тангенс угла диэлектрических потерь, соответствующий
критической температуре Tкр , при которой происходит пробой
диэлектрика.
Для практического применения Фок и Семенов предложили
формулу, основанную на некоторых эмпирических данных:
U пр = 3,89
λT
⋅ 10 5 ϕ (C ) ,
fεtgδ
где λt - удельная теплопроводность диэлектрика, Вт/мК; ϕ (C ) функция, характеризующая теплоотдачу образца и электродов,
λαd
.
λT (λ + αl )
Здесь λ - удельная теплопроводность электродов, Вт/мК; l C=
толщина электродов, м.
График зависимости ϕ (C ) от параметра C представлен на рис.2.
U пр эфф кВ
50
40
ϕ (C )
30
0,7
0,5
0,3
0,1
25 мм
20
10
0,1
1
10
Рис.2. Зависимость функции ϕ (C ) от
параметра C при тепловом пробое
C
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
содержание воды, %
Рис.3. Зависимость U пр
трансформаторного масла от
содержания воды
5
Особенности пробоя жидких диэлектриков
У жидкостей может быть электрический, тепловой и ионизационный
пробой, в зависимости от их полярности и наличия примесей. Пробой
чистых неполярных жидких диэлектриков – электрический. Примеси
полярных веществ и газовые включения, даже в незначительных
количествах, порождают другие формы пробоя (например, тепловой и
ионизационный), U пр при этом резко снижается (рис.3).
Особенности пробоя твердых диэлектриков
Eпр max
В основе пробоя твердых диэлектриков лежат электронные процессы
ударной ионизации. Пробой наступает мгновенно, не зависит от времени
действия напряжения и связан с разрушением молекулярной и
кристаллической структуры материала. Решающим фактором при этом
является напряженность электрического поля.
Особенностью электронной теории пробоя твердых диэлектриков
является то, что электроны, освобожденные электрическим полем у катода,
перемещаются к аноду. В головной части лидера создается сильное
электрическое поле, обуславливающее дальнейшую ионизацию, появление
электронного объемного заряда и прорастание лидера к аноду. Внутри
лидера имеются положительные ионы и электроны. Ионизация атомов в
этом объеме производится только электронами, ускоренными полем.
Ударная ионизация электронами на пути лидера может продолжаться и
после прорастания его к аноду. Завершается она проплавлением
диэлектрика током.
При испытаниях на пробой тонкопленочных диэлектриков в
зависимости E пр от числа слоев
Eпр
наблюдается максимум (рис.4). Это
объясняется
следующим
образом.
Вначале при увеличении числа слоев
вследствие уменьшения вероятности
совпадения слабых мест (сквозных пор,
посторонних включений и т.д.) E пр
возрастает до некоторого максимального
значения. При дальнейшем увеличении
n
nкр
числа слоев E пр начинает снижаться.
Рис.4. Зависимость E пр
Причиной является то, что значительно
твердого многослойного
возросшая толщина диэлектрика при
диэлектрика от числа слоев
большом числе слоев ведет к усилению
неоднородности поля, а также к затруднению теплоотвода и облегчению
теплового пробоя.
6
Описание измерительной установки для пробоя диэлектриков
Электрическую прочность диэлектриков определяют на установке
АИИ-70 (рис.5).
П3
Р1
Тр1
Тр2
Р2
Л1
С
V
Р3
Л2
R
Э
С
П2
Рис.5. Принципиальная схема для определения
электрической прочности диэлектриков
Напряжение от сети через блокировочные контакты и
предохранители проводится регулировочному автотрансформатору Тр1,
служащему для плавного изменения напряжения. Включение высокого
напряжения
осуществляется
нажатием
кнопки
автоматического
выключателя П2, имеющего три обмотки; две из них (Р1 и Р2) соединены
последовательно (причем обмотка Р1 шунтируется переключателем защиты
П3). Разомкнутое положение этого переключателя соответствует
«чувствительной» защите, при этом автомат срабатывает, если ток во
вторичной обмотке высоковольтного трансформатора превысит 5 мА. В
замкнутом положении переключателя П3 шунтируется обмотка
«чувствительной» защиты Р1 и осуществляется «грубая» защита. Ток в
обмотке Р2 вызывает срабатывание автоматического выключателя П2, если
мощность в высоковольтной цепи трансформатора Тр2 при напряжении 50
кВ превосходит 2 кВт.
Для оценки напряжения во вторичной обмотке трансформатора Тр2
служит вольтметр класса 1.5, включенный в первичную обмотку
трансформатора Тр2. Высоковольтный трансформатор Тр2 имеет мощность
2 кВт; один из выводов его вторичной обмотки заземлен. Сопротивление R
служит для защиты трансформатора от перегрузки при пробое образца. В
установке имеются клеммы (К), на которые устанавливается одна из
измерительных ячеек, и включается киловольтметр для измерения
напряжения на исследуемом образце.
Непосредственное измерение пробивного напряжения на стороне
высокого
напряжения
осуществляется
электростатическим
киловольтметром С-96 (рис.6). Прибор имеет два электрода –
неподвижный (НЭ) и подвижный (ПЭ). Последний соединен с экраном, в
качестве которого используется корпус прибора. Когда к электродам
прикладывается напряжение, то подвижный электрод поворачивается на
7
угол, пропорциональный измеряемому напряжению. Вместе с подвижным
электродом поворачивается закрепленное на нем зеркальце, и световой
указатель перемещается по шкале прибора. Измерение можно проводить
на различных пределах, причем для перехода на другой предел
неподвижный электрод смещается и изменяется расстояние от него до
подвижного электрода. Прибор имеет три предела измерений: 3, 5, 10 и
30 кВ. Выходная емкость его 12 пФ, сопротивление изоляции 107 Ом,
время успокоения не более 4 с.
Измерительные ячейки для исследования жидких и твердых
диэлектриков
Ячейка для измерения электрической прочности жидких
диэлектриков представляет собой фарфоровый сосуд с двумя электродами,
расстояние между которыми можно изменять (рис.7).
Ячейка для измерения электрической прочности твердых
диэлектриков имеет вид фарфорового сосуда с двумя электродами (рис.8).
Первый электрод, неподвижный, представляет собой диск диаметром
10 см. Второй электрод, подвижный, имеет шарообразную поверхность.
Для того чтобы поместить образец между электродами ячейки,
необходимо оттянуть подвижный электрод с помощью специального
ключа, поместить между электродами образец и отпустить подвижный
электрод.
Правила техники безопасности при работе на установке для
испытания диэлектриков на пробой
1.
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты,
ознакомившиеся с порядком работы и с настоящей инструкцией,
получившие допуск к выполнению ее с оформлением в специальном
журнале инструктажа.
2.
Перед началом работы следует: а) проверить надежность
заземления установки; б) наличие резинового изоляционного коврика у
пульта управления высоковольтной установки; в) убедиться в надежности
работы блокировок, для чего закрыть дверцу на крышке установки,
включить установку в сеть (при этом должна загореться зеленая лампочка
на пульте управления), включить автоматический выключатель (при этом
должна загореться красная лампочка на пульте управления), открыть
дверцу на крышке установки (при этом сигнальные лампочки должны
погаснуть) и проверить отсутствие напряжения на электродах.
Только проверив надежность работы блокировок, можно приступить
к выполнению лабораторной работы.
3.
При проведении работы необходимо строго придерживаться
порядка выполнения ее.
8
4.
При выполнении работы запрещается оставлять включенную
установку без присмотра и передавать ее управление лицам, не
получившим допуск у преподавателя и не оформившим его в журнале
инструктажа по технике безопасности.
Порядок выполнения работы
1.
Ознакомиться с описанием работы, принципиальной схемой
установки, правилами техники безопасности.
2.
Перед включением установки необходимо: а) проверить
наличие заземления и его надежность; б) открыть дверцу установки,
проверить наличие и исправность блокировки; в) поставить рукоятку
регулировочного трансформатора в крайнее положение (против часовой
стрелки), соответствующее нулевому значению напряжения при
включении установки в сеть; г) подготовить образец и установить его
между электродами измерительной ячейки.
Включение установки производить только после разрешения
преподавателя.
3.
Включить установку в сеть. При этом должна загореться
зеленая лампочка, указывающая на наличие напряжения на первичной
обмотке регулирующего трансформатора.
4.
Включить автоматический выключатель. При этом должна
загореться красная сигнальная лампочка, указывающая на наличие
напряжения на первичной обмотке трансформатора Тр2.
Первое испытание должно проводиться только в присутствие
преподавателя.
5.
Пользуясь регулировочным трансформатором Тр1, плавно
увеличивать напряжение (вращая рукоятку по часовой стрелке) до
наступления пробоя.
6.
Записать максимальное показание вольтметра в последний
момент перед пробоем. Это напряжение называется пробивным ( U пр ).
7.
После проведения измерения: а) переместить ручку
регулировочного трансформатора Тр1 в исходное положение;
б) выключить установку из сети; в) открыть дверцу на крышке установки,
извлечь испытуемый образец.
8.
Для каждого образца измерить пробивное напряжение не менее
5 раз.
9.
Вычислить электрическую прочность по формуле E пр =
10.
Полученные данные занести в таблицу:
U пр
d
.
9
Результаты испытаний на пробой жидкого диэлектрика
Номер
опыта
U пр , кВ 1
2
3
.
.
.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U пр ср , кВ
E пр ср кВ / мм
Результаты испытаний на пробой твердого диэлектрика
Наименование диэлектрика:
U пр , кВ
Число
слоев
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
7
Толщина:
U пр ср , кВ
E пр ср кВ / мм
∆E пр ср кВ / мм
5
11. Полученные данные обработать статистически: вычислить
надежность результатов по Корнфельду.
12. Построить графики зависимостей U пр (t ) и E пр (t ) для жидкого
диэлектрика и U пр (d ) , E пр (d ) для твердого. Объяснить эти зависимости.
13. Получить уравнение регрессии E пр от d или, в случае
прямолинейной зависимости, вычислить коэффициент корреляции.
Контрольные вопросы
1.
Вольтамперная характеристика при пробое диэлектриков.
2.
Характерные особенности теплового пробоя диэлектриков.
3.
Характерные особенности электрического пробоя
диэлектриков.
4.
Зависимость электрической прочности диэлектриков от
температуры и влажности.
5.
Порядок проведения испытания по пробою диэлектриков.
10
6.
Основные правила техники безопасности при пробое
диэлектриков.
7.
Методы измерения высокого напряжения, приборы для таких
измерений.
Список литературы
1. Аппарат АИИ-70. Описание и инструкция к эксплуатации.
2. Мецик М.С. Методы обработки результатов экспериментальных
измерений. Иркутск, 1972.
3. Электростатический киловольтметр типа С-96. Описание и
инструкция к эксплуатации
11