Т2.Л3.Пробой диэлектриков

Электроэнергетический факультет
Кафедра
электроснабжения и эксплуатации
электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 4
Электроизоляционные материалы
ЛЕКЦИЯ № 10
Пробой диэлектриков
Учебные цели
1. Знать физическую природу пробоя ТД.
2. Знать особенности пробоя.
3. Знать механизм поверхностного
пробоя ТД.
Учебные вопросы
Введение
1. Электрический пробой газов.
2. Пробой жидких и твердых
диэлектриков.
3. Электрохимический и
поверхностный пробой ТД.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Рисунок 1 – Зависимость электрического тока
от напряжения приложенного к диэлектрику
В момент пробоя сквозной ток IСК резко
увеличивается, напряжение на электродах
уменьшается, сопротивление падает и происходит
электрический пробой диэлектрика (рисунок 1).
Напряжение UПР зависит от толщины h и
конфигурации электродов диэлектрика.
Для сравнения свойств изоляторов применяют:
ЕПР = UПР / h
(1)
где ЕПР – в кВ/мм.
В газах и ЖД, благодаря подвижности молекул,
участок пробоя между электродами
восстанавливает свойства (после снятия U).
Пробой ТД заканчивается разрушением
изоляции ЭУ.
1. Электрический пробой газов
Величина ЕПР газа (воздуха) в нормальных
условиях мала по сравнению с ЖД и ТД.
Пробой газа - следствие развития процессов
фотоионизации и ударной ионизации.
Механизм пробоя газа.
В диэлектрике ионы и электроны, находятся
в тепловом движении. При воздействии поля
заряды получают добавочную скорость и в
зависимости от знака перемещаются в
направлении поля или против него.
При этом заряженная частица приобретает
дополнительную энергию
Э=qUl,
(1)
где q - заряд; U l - разность потенциалов на длине
свободного пробега.
Если поле однородно, то можно считать
U l = E l ср ,
где Е - напряженность поля;
l с р - длина свободного пробега.
(2)
Отсюда: Э = E q l с р
(3)
Дополнительная энергия заряженных частиц
сообщается молекулам газа, с которыми эти
частицы сталкиваются.
1. Ионизация молекул газа (М)
Если энергия Э велика происходит ионизация М
(расщепление на электроны и (+) ионы).
Условие ионизации М: Э ≥ ЭИ
(4)
где Э включает энергию теплового движения.
Из выражений (3) и (4) имеем
E q l с р ≥ ЭИ
Энергию ЭИ характеризуют ионизационным
потенциалом: UИ = ЭИ /q (UИ = 4 - 25В)
(5)
2. Ударная ионизация молекул газа
Электрон приводит М в «возбужденное
состояние» и она испускает фотон (Ф). Часть Ф
имеют энергию, больше энергии ионизации М.
При поглощении Ф другой М идет внутренняя
фотонная ионизация газа.
Процесс приводит к быстрому развитию
каналов с повышенной проводимостью газа.
На рисунке 2 дана схема, поясняющая, почему
рост стримера происходит быстрее, чем
продвижение электронной лавины.
Рисунок 2 – Схема развития отрицательного
стримера от катода (-) к аноду (+)
Лавины показаны в виде заштрихованных
конусов, а волнистыми линиями - пути Ф.
Внутри конуса газ ионизируется ударами
электронов. Число электронов и (+) ионов резко
нарастает. Ф обгоняют лавину (конец волнистой
линии) и ионизируют М. Выбитый электрон,
устремляясь к аноду, порождает новую лавину.
В результате, лавины в (-) стримере сливаются,
образуя канал ионизированного газа.
Возникает (+) стример и наступает пробой
газового промежутка.
Пробой газа в однородном поле
Между электродами возникает искра, которая
затем переходит в дугу, если источник напряжения
имеет достаточную мощность.
При малых расстояниях между электродами
прочность газа Е растет (сложность
возникновения пробоя).
Минимальные напряжения пробоя.
Газов:
Uп р = 280В;
Воздуха:
Uп р = 300В.
а)
б)
Рисунок 4 – Зависимости: а - Е воздуха от
расстояния h; б- Uп р от произведения давления p
на расстояние h
При увеличении давления р расстояние
между молекулами становится меньше, длина
свободного пробега электронов сокращается и
электрическая прочность газа Е возрастает.
При падении давления р электрическая
прочность Е уменьшается, а затем возрастает изза сокращения числа молекул газа в единице
объема.
а)
б)
Рисунок 5 Зависимость отношения пробивных
напряжений воздуха к частоте (а); диаграмма
напряжений, ионизации газа в переменном
поле (б)
При небольших частотах f значение U п р
совпадает напряжением U п р для постоянного
тока, а на высоких - напряжение U п р мало и
доходит до минимума при f = 5∙106 Гц.
Затем напряжение U п р вновь возрастает до
значений, превосходящих напряжениеU п р при
постоянном токе на 1,5раза.
Уменьшение напряжения U п р с ростом частоты f
объясняется искажением электрического поля, изза образования объемных зарядов и различной
подвижности (+) ионов и электронов.
Ионизация газа происходит если мгновенное
значение напряжения U превосходит порог
ионизации UИ (рисунок 5,б).
При напряжении U ниже порогового,
ионизации нет, т.к. идет рассасывание объемного
заряда, скорость которого зависит от скорости
дрейфа ионов к катоду.
Повышенное UПР у тяжелых газов:
элегаз ( SF6 ) и фреон (C Cl 2F2 ) - напряжение U п р
в 2,5 раза выше, чем у воздуха.
2. Пробой жидких и твердых диэлектриков
Пробой жидких диэлектриков.
Чистые ЖД получить трудно из-за примесей:
воды, газа и механических частиц.
В чистых ЖД при высокой напряженности Е
происходит вырывание электронов из электродов
и разрушение М при соударениях с заряженными
частицами, как и пробой газа.
Повышенная прочность ЖД по сравнению с
газами обусловлена меньшей длиной свободного
пробега электронов.
Пробой ЖД (перегрев и вскипание в местах
скопления примесей) приводит к образованию
газового мостика между электродами.
Пробой ЖД при повышенных частотах
обусловлен его разогревом за счет потерь, что
приводит к термическому разрушению.
Предельно допустимые напряженности поля
для ЖД на больших частотах f оказываются ниже,
чем на промышленной частоте.
Пробой твердых диэлектриков (ТД).
У ТД три основных механизма пробоя:
электрический, тепловой и электрохимический.
Вид пробоя зависит от характеристик
электрического поля, времени воздействия
напряжения, наличия в дефектов, размеров
материала и условий охлаждения.
1. Электрический пробой (ЭП) идет быстро и
протекает за время 10 -7 с.
Пробой сопровождается разрушением ТД в
узком канале.
ЭП по природе электронный процесс, когда из
начальных электронов в создается электронная
лавина. Развитие лавин идет с фотоионизацией
(ускоряет образование проводящего канала).
Ускоренные полем электроны передают энергию
узлам кристаллической решетки и разогревают
ТД вплоть до плавления. В разрядном канале
возникает высокое давление, появляются
трещины и изолятор разрушается.
ЭП возможен когда исключено:
•влияние электрической проводимости;
•диэлектрических потерь;
•ионизация газовых включений.
Для чистых ТД пробивные напряженности при
ЭП мера их электрической прочности, что
характерно для монокристаллов, окислов и
органических полимеров.
2. Тепловой пробой (ТП) возникает, если
количество тепловой энергии, превышает
количество энергии, которое может рассеивать
изолятор.
В результате нарушается тепловое равновесие
и процесс ТП приобретает лавинообразный
характер.
Явление ТП сводится к разогреву ТД до
температур расплавления и обугливания.
Прочность при ТП характеристика не только
ТД, но и ЭУ (прочность при ЭП служит
характеристикой самого изолятора).
Напряжение UПР , обусловленное нагревом ТД,
связано с частотой сети, условиями охлаждения,
температурой окружающей среды и др.
Величина UПР зависит от нагревостойкости
изолятора. У органических ТД более низкие
пробивные напряжения, чем у неорганических
(кварц, керамика), при прочих равных условиях.
Признак ТП - уменьшение пробивного
напряжения по экспоненте с ростом температуры
окружающей среды.
На практике явление ТП протекает сложно.
По объему ТД идет перепад Т0С, средний слой
его нагревается, сопротивление изолятора резко
падает. Поле искажается и происходит пробой ТД
при более низких напряжениях.
Разновидность ТП - ионизационный пробой (ИП).
Характерен для пористых ТД (ионизация газа в
порах). За счет потерь разогревается поверхность
пор, возникают перепады температуры в объеме
ТД, механические напряжения и разрушение
изолятора.
3. Электрохимический и поверхностный пробой
материалов
Электрохимический пробой (ЭХП) возникает
при высоких Т0С и влажности воздуха (при
малом сопротивлении изоляции происходит
электрохимическое старение).
ЭПХ возможен при высоких частотах, если в
порах ТД идет ионизация газа с тепловым
эффектом (керамика).
Для развития ЭХП надо время (связано с
явлением электропроводности).
ЭХП возможен у органических ТД (зависит от
материала электродов).
Поверхностный пробой (ПП) бывает при
испытаниях и эксплуатации ТД с высокой
электрической прочностью.
ПП - пробой газа (жидкости) вблизи
поверхности ТД. Прочность не нарушается, но
образование проводящего канала на поверхности
ограничивает рабочие напряжения изолятора.
Значение UПР зависит от конфигурации
электродов, габаритных размеров и формы.
Если ЭУ открытая, то UПР зависит от:
давления, Т0С, относительной влажности воздуха
и частоты ЭМП.
Одной из причин снижения UПР является
искажение поля, из-за перераспределения зарядов
в пленке влаги на поверхности ТД. Смещение
ионов по поверхности ТД, увеличивает
напряженность поля у электродов изолятора.
Чем резче выражены гидрофильные
свойства ТД, тем ниже UПР .
Влияние влажности воздуха на UПР невелико
при высоких частотах, когда поверхность ТД
просыхает.
Для предотвращения ПП увеличивают длину
пути разрядного тока вдоль поверхности ТД.
Этому способствует создание ребристой
поверхности изоляторов, проточка канавок,
конструкции с «утопленными» электродами.
Повышение рабочих напряжений ТД
достигается сглаживанием неоднородностей поля
за счет изменения формы электродов.
На практике наносят на поверхность изолятора
специальные покрытия (диэлектрические пленки)