ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит, характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды. Кроме того, «электротепловое» пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения «электротепловых» пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.

Как показано ка рис. 4-10, электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с ростом температуры.

Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряжения при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рис. 4-11. К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробивного. Рассеиваемая в диэлектрике мощность будет определяться выражением (3-8).

Рис. 4-11. Пояснение красчету пробивного напряжения при тепловом пpобое

Механизм теплового пробоя (см. рис. 4-10) наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Поэтому, используя экспоненциальную зависимость от температуры и преобразуя выражение (3-8), получим

, (4.9)

где — приложенное напряжение; — частота; — относительная диэлектрическая проницаемость (считаем ее не зависящей от температуры); — тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; — температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь; — температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; — температура электродов, приблизительно равная температуре окружающей среды; — площадь электрода; —толщина диэлектрика.

Температура по всему объему материала, находящемуся в электрическом поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).

Так как теплопроводность металла электродов за редким исключением ка два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, будем считать, что теплота из нагревающегося объема его передается в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимую от диэлектрика, выразим с помощью формулы Ньютона:

, (4-10)

где — коэффициент теплопередачи системы диэлектрик — металл электродов.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рис. 4-11, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи . При значении приложенного напряжения прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если бы по каким-то причинам температура хотя бы немного превысила значение , то ординаты отводимой мощности были бы больше ординат тепловыделения и образец самопроизвольно должен был бы возвратиться в устойчивое состояние при температуре . (Считаем, что никаких внешних источников радиации, способных повысить температуру образца выше нет.) Напряжение будет не опасным для образца диэлектрика в данных условиях, если, нагрев до температуры не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. Поэтому начнем увеличивать напряжение и доведем его до такого значения , при котором прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре . При значении приложенного напряжения , большем напряжения , никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение , при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя . Его можно определить по двум условиям:

; (4-11)

(4-12)

Условие (4-12) может быть записано только для одного граничного режима, условие (4-11) справедливо для всех случаев устойчивой работы диэлектрика под напряжением.

Используя формулы (4-9)—(4-12), получаем

; (4-13)

(4-14)

Разделив выражение (4-13) на (4-14), получим

. (4-15)

Подставляя формулу (4-15) в (4-14) и решая полученное уравнение относительно , получаем

, (4-16)

где — числовой коэффициент, равный , если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ.

Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше ( больше) и диэлектрик толще; а меньше — при высоких частотах, большом коэффициенте диэлектрических потерь , и большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь .

В общем случае тепловой пробой — более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.

Рис. 4-12. Зависимость φ(с), используемая при расчете напряжения

теплового пробоя по В.А. Фоку и Н.Н. Семенову

Более строгое рассмотрение механизма теплового пробоя при постоянном и переменном напряжениях для одномерного потока теплоты через электроды выполнено В.А. Фоком и Н.Н. Семеновым. Формулы их пригодны для изделий простейшей конфигурации, в частности для тонких пластин или полых цилиндров с большим отношением длины к диаметру (при радиальном поле). При этом считается, что электроды охватывают всю площадь, перпендикулярную к потоку теплоты, а диэлектрические потери увеличиваются с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Ввиду сложности использованного математического аппарата приведем только окончательные выражения:

. (4-17)

Здесь — коэффициент теплопроводности диэлектрика, Вт/(м·К); — функция, значения которой для плоских образцов находят по рис. 4-12; — аргумент, вычисляемый из выражения

(4-18)

где - коэффициент теплопроводности материала электродов; - коэффициент теплопередачи в электроды, Вт/(м²·К); - толщина электрода, м.

Расчеты по формуле (4-17) также не всегда дают значение пробивного напряжения, совпадающее с полученным при опыте, так как сделанные допущения могут отличаться от условий на практике. Например, tgδ может меняться не обязательно по экспоненциальному закону с постоянным коэффициентом α, коэффициент теплопередачи σ также не постоянен и зависит от многих факторов. Все это говорит о том, что аналитический метод теплового расчета в некоторых случаях не может отобразить сложные закономерности, определяющие процессы выделения теплоты в диэлектрике и рассеивания его в окружающую среду.

Уменьшение электрической прочности с ростом толщины в данном случае объясняется ухудшением теплоотвода от внутренней области диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение) Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей оксиды металлов переменкой валентности (например, ), электрохимический пробой встречается, значительна чаще, чем в керамике, состоящей из оксидов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается, и у многих органических материалов. Электрохимический пробой во многом зависят от материала электродов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем различие в терминах: пробивное напряжение и электрическая прочность материала?

2. Каковы механизмы пробоя газов, жидкостей и твердых тел?

3. Выведите выражение для пробивного напряжения при тепловом пробое по упрощенной теории Н.Н. Семенова и В.А. Фока.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: