Лабораторная работа №4 Пробой твердых диэлектриков.

Цель работы:

1.  Исследовать влияние неоднородности электрического поля и толщины диэлектрика на пробивное напряжение и электрическую прочность однородных диэлектриков.

2. Исследовать влияние неоднородности электрического поля и толщины диэлектрика на пробивное напряжение и электрическую прочность неоднородных диэлектриков.

3. Исследовать влияние температуры нагрева диэлектрика на электрическую прочность.

4. Определить электрическую прочность некоторых твердых диэлектриков.

5. Определить зависимость пробивного напряжения от времени воздействия напряжения на диэлектрик.

Краткая теория.

При повышении приложенного к изоляции напряжения напряжённость электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 10⁸ А/м², сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание между электродами. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, кВ. Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика, поэтому характеристикой способности материала сохранять электроизоляционные свойства при воздействии повышенного напряжения является электрическая прочность. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

                                             E_пр=U_пр/h,  кВ/мм                           (1)

 где h – толщина диэлектрика.

       В пробитом твёрдом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплавленное, прожжённое отверстие – след пробоя, т.е. пробой твердых диэлектриков является необратимым процессом. В твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1) электрический;

2) тепловой;

3) электрохимический.

Электрический пробой

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

На механизм пробоя твердых диэлектриков влияет однородность структуры материала. В однородном поле происходит пробой диэлектрика в самом слабом месте, а в неоднородном поле – вместе с максимальной напряженностью электрического поля.

           Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение электрической изоляции должен быть меньше в несколько раз пробивного напряжения (Uраб<Uпр).

           Коэффициент запаса электрической прочности равен:

                            K=Uпр/Uраб                                                  (2)

    Значение U_пр зависит от времени приложения напряжения: при кратковременных импульсах пробой происходит при больших значениях U_пр, чем при воздействии длительного или постоянно приложенного переменного напряжения.                                                             

      Электрическая изоляция характеризуется сроком службы. Если на диэлектрик продолжительное время воздействует электрическое поле высокой напряжённости, то снижается U_пр, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.