Электрическая прочность диэлектриков

Повышение напряжения электрического поля, приложенного к диэлектрику, вызывает увеличение его проводимости. При достижении определенного значения Uпp ток в диэлектрике резко возрастает, образуется канал высокой проводимости и наступает пробой диэлектрика. Напряжение, при котором происходит это явление, называется пробивным напряжением. Значение этого напряжения зависит от многих факторов и в первую очередь от толщены диэлектрика. Поэтому за величину Епр (МВ/м), характеризующая электрическую прочность диэлектрика (т.е. стойкость к высокому напряжению) принимают значения пробивного напряжения к толщине диэлектрика. Uпp/h, т.е. напряжение электрического поля, соответствующую моменту пробоя:

Епр =Uпp/h

По механизму протекания электрический пробой диэлектрика может быть чисто электрическим, электротепловым и электрохимическим.

Для чисто электрического пробоя характерно образование канала высокой проводимости за счет резкого увеличения количества заряженных частиц, которые возникают в процессе соударения свободных электронов, ускоренных электрическим полем, с нейтральными частицами диэлектрика. В процессе соударения возникают новые свободные заряженные частицы, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем развивая процесс ударной ионизации. Свободные электроны, вызывающие этот процесс, присутствуют благодаря примесям, либо вырываются с поверхности металлических электродов, приложенных к диэлектрику.

Электротепловой пробой связан с разогревом диэлектрика под действием электрического поля за счет диэлектрических потерь. Это приводит к снижению удельного электрического сопротивления и увеличению сквозного тока. Этот процесс может привести к сильному разогреву диэлектрика, механическому разрушению и электрическому пробою.

Электрохимические процессы (электролиз, ионизация, окисление, и т.д.), протекающие под воздействием электричества и тепла, могут привести к образованию вещества с низкой электропрочностью. Он облегчается с повышением температуры и влажности.

В реальных условиях трудно отделить один вид пробоя от другого. Чисто электрический встречается чаще у газообразных диэлектриков, которые обладают высокой теплопроводностью и химической стойкостью. В жидких диэлектриках основной вид пробоя электротепловой. В твердых диэлектриках наблюдаются все три вида пробоя в зависимости от условий, в которых находится диэлектрик.

Электрическая прочность зависит от многих факторов: рода материала, его размеров, температуры, влажности, частоты приложенного напряжения, времени его приложения и, т.д. Например, увеличение толщины диэлектрика снижает его электрическую прочность, т.к. ухудшается теплоотвод от внутренних слоев, что приводит к перегреву и электротепловому пробою. Для чисто электрического пробоя важное значение имеет однородность электрического поля, т.е. форма электрода.

Электротепловой и электрохимический пробой от формы электрода не зависит. Эти виды пробоя чувствительны к частоте.

Наиболее существенное значение для электрической прочности диэлектрика имеет его однородность, наличие различных дефектов, снижающих электрическую прочность.

Механические и физико-химические свойства диэлектриков

В процессе работы диэлектрики подвергаются воздействию не только электрических полей, но и механических нагрузок, высоких и низких температур, влажности и т.д. Поэтому необходимо учитывать механические, тепловые, химические свойства.

Механические свойства оцениваются по следующим показателям: прочность на разрыв δр, сжатие δс, изгиб δи, относительное удлинение Δе / л, твердость.

Тепловые свойства характеризуются нагревостойкостью, т.е. способностью диэлектриков сохранять длительное время исходный уровень свойств при постоянном или прерывистом воздействии высоких температур.

Для изоляционных материалов введены классы нагревостойкости по допустимым рабочим температурам (табл. 1):

Аналогично определяется морозостойкость, т.е. способность сохранять свойства при воздействии низких температур. Эти два параметра определяют интервал рабочих температур.

Таблица 1

Другие параметры:

- теплопроводность - для Д низка;

- теплоемкость - велика для жидких диэлектриков;

- тепловое расширение аl = 1/L*l/T;

- влагостойкость — способность сохранять свойства в атмосфере, близким к насыщенным парам;

- тропикостойкость (влажность 98-100 %, температура 30-40 0С) Химические свойства:

- растворимость для получения лаков, эмалей и т.д.;

- скорость растворения;

- предельная растворимость и т.д.

Газообразные диэлектрики

Наиболее распространен газ диэлектрик - воздух. Он состоит из смеси газов (К, О, СО₂) и паров воды. В технике применяют помимо воздуха составляющие его газы в чистом виде, чаще инертные газы, а также газы, полученные искусственно химическим способом.

Основное применение - охлаждение различных устройств и аппаратуры.

Основной вид поляризации - электронная, подразделяется:

- неполярные:О₂, НеСl₂;

- полярные: СО, HF, H₂S.

Газы обладают малой плотностью, хорошей теплопроводностью, высоким удельным электрическим сопротивлением в слабых полях, высокой температурной стабильностью, что позволяет использовать их для создания эталонных конденсаторов.

Диэлектрическая проницаемость ε газов возрастает с увеличением размера атомов, увеличивается с ростом температуры, уменьшается с ростом давления

Электропроводность газов сильно зависит от приложенного напряжения.

Рисунок 9. Зависимость тока газообразных диэлектриков от величины приложенного напряжения

Три процесса в газах, влияющие на электропроводность:

- ионизация;

- рекомбинация ионов;

- нейтрализация ионов на электродах.

При низких напряжениях преобладает процесс рекомбинации, т.е. взаимная нейтрализация разнообразных ионов газа при соударении. При этом изменение тока пропорционально напряжению.

При достижения некоторой температуры Uнас дальнейшее увеличение U не вызывает увеличение тока. Ток насыщения не велик и составляет для большинства, газов 10^-18…10^-20 A/см².

Основной процесс в диапазоне напряжений от Uнас до Uкр - нейтрализация ионов на электродах, т.е. перенос зарядов ионами обоих знаков.

При достижении Uкр в газе начинает развиваться ударная ионизация молекул, что приводит к резкому увеличению концентрации ионов, увеличению плотности тока, электрическому пробою.

Электрическая плотность газов не велика и составляет для природных газов 2-3 МВ/м и сильно зависит от давления, особенно в области низких давлений. С уменьшением давления электрическая прочность сначала уменьшается, а затем возрастает ввиду уменьшения концентрации молекул в единице объема и падает вероятность соударения частиц.

Диэлектрические потери в газах малы, что важно для применения их на высоких частотах.

Приведем некоторые параметры наиболее распространенных газообразных диэлектриков:

Воздух - смесь газов, пара и пыли. Кислород воздействует на металл и другие материалы. Предохранение конструкций от вредного воздействия воздуха достигается применением защитных покрытий, фильтрацией и осушкой воздуха.

Азот по диэлектрическим свойствам аналогичен воздуху. Применяется, когда недопустимо присутствие О2.

Водород обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Используется для охлаждения радиотехнических устройств в смеси с О₂ пожаро и взрывоопасен.

Аргон - инертный газ, широко применяется для создания защитной от окисления атмосферы, для охлаждения аппаратуры.

Элегаз (гексафторид серы)- искусственно полученный газообразный диэлектрик с высокой нагревостойкостью (~ 800° С) и электрической прочностью. Химически стойкий, не горючий. Допускается длительное применение при температуре 150°С, препятствует возникновению дуги. Применяется для заполнения герметичных высоковольтных трансформаторов и переключателей.

Жидкие диэлектрики.

Жидкие диэлектрики имеют ряд преимуществ перед газообразными: они имеют примерно в 30 раз более высокую теплопроводность и в 3 раза большую теплоёмкость. Электрическая прочность жидких кристаллов составляет 10-20 МВ/м. Они практически не меняют своего объёма при изменении давления, а, следовательно, и их электрофизические свойства не зависят от давления.

Основной тип электропроводимости - ионный. Электрические свойства зависят от степени очистки от примесей, паров воды и растворённых газов.

Назначение жидких кристаллов - повышать электрическую прочность изоляции, отводить теплоту, гасить электрическую дугу в высоковольтной аппаратуре.

Самыми распространёнными жидкими кристаллами являются нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное) и некоторые синтетические электроизоляционные жидкости (кремнийорганические и фторорганические). Раньше широко применялись растительные масла - льняное, касторовое, тунговое.

Нефтяные масла.

Трансформаторное масло получают из нефти. В процессе эксплуатации быстро стареет. Удельное электрическое сопротивление уменьшается в 50-100 раз. Применяется для заливки высоковольтной аппаратуры (трансформаторы, масляные выключатели).

Конденсаторное масло получают из трансформатора путём вакуумного обезгаживания. Лучше трансформаторного, применяется для заливки и пропитки бумажных конденсаторов.

Кабельное масло получают из газообразных фракций нефти. Применяется для пропитки бумажной изоляции кабелей.

Недостаток нефтяных масел - низкая нагревостойкость, малая диэлектрическая проницаемость, гигроскопичность.

Синтетические масла

Синтетические электроизоляционные жидкости обладают лучшими по сравнению с нефтяными маслами свойствами. Они имеют более высокую Екр и ε, нагревостойкость, и другие показатели.

Совол - хлорированный дифенил - полярный диэлектрик. Применяется для пропитки бумажных конденсаторов. Диэлектрическая проницаемость (ε) ~ в 5 раз больше, чем у трансформатора, что позволяет почти в 2 раза уменьшить габариты конденсаторов при равной ёмкости и напряжении.

Полиметилсилоксаны - кремнийорганические жидкости, полимеры с линейной структурой молекул. Обладают высокой нагревостойкостью (300°С) и низкой температурой застывания (- 60°С). Термостабилен.

Фреоны - жидкости, соединения фтора с углеродом. Для них характерно: не горючесть и взрывобезопасность, малая гигроскопичность, нагрево и дугостойкость, высокая термостабильность, малые диэлектрические потери. Основное применение - охлаждающие диэлектрические жидкости. Недостатки - токсичность, некоторые сильный яд, взаимодействуют с резиной, с медью, вызывая потемнение, обладает высокой проникающей способностью. Возможна утечка даже через поры чугунных отливок. Боится открытого огня. Разрушает озоновый слой земли.

Твёрдые диэлектрики.

По частотным свойствам они делятся на полярные (низкочастотные) и неполярные (высокочастотные).

11.1. Органические диэлектрики.

Большую группу органических диэлектриков составляют смолы, как природные, так и синтетические. Смолы представляют собой аморфные, высокомолекулярные соединения, которые при повышении температуры могут находиться в трёх последующих состояниях: стеклообразном, эластичном, вязкотекучем. Смолы, которые многократно претерпевают этот переход при повторных нагревах, называют термопластичными. Смолы, для которых этот переход необратим и которые, после остывания невозможно вернуть в эластичное состояние повторным нагревом, называются термореактивными.

Смолы обладают хорошими диэлектрическими свойствами, стойки к агрессивным средам.

Термопластичные смолы служат основой для термопластичных пластмасс, т. е. полимерных синтетических материалов, которые при нагреве переходят в пластичное состояние и прессованием приобретают заданную форму, а при охлаждении сохраняют её. Повторный нагрев снова переводит эту пластмассу в пластичное состояние.

Термореактивные смолы являются основой для производства термореактивных пластмасс, которые повторным нагревом невозможно перевести в пластичное состояние.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: