ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
ДИЭЛЕКТРИКОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Практическое ознакомление с процессом испытания твердых, жидких и газообразных диэлектриков на электрическую прочность.
В данной работе определяется средняя электрическая прочность при переменном напряжении промышленной частоты.
Основные теоретические положения
Твердые диэлектрики являются основным изолирующим материалом электрических аппаратов высокого напряжения.
Наиболее характерной особенностью твердых диэлектриков, резко отличающей их от жидких и газообразных диэлектриков, является потеря ими после пробоя электроизоляционных свойств.
Явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства под действия приложенного электрического поля, называется пробоем.
Пробой диэлектриков фиксируется в тот момент, когда в диэлектрике при постепенном увеличении напряжения наблюдается резкое увеличение тока. Отмеченная при этом напряжении носит название пробивного напряжения Uпр и используется для оценки пробивной напряженности или электрической прочности диэлектрика Епр,
,
где d – толщина диэлектрика в месте пробоя, мм;
Uпр – пробивное напряжение, кВ.
Для обеспечения надежности работы диэлектриков их рабочее напряжение Uраб должно быть значительнее ниже пробивного напряжения Uпр .
Отношение Uпр к Uраб носит название коэффициент запаса электрической прочности и для каждого вида электрика устанавливается в зависимости от его физико-химических свойств и условий работы.
Пробой твердых тел может вызываться как электрическими, так и тепловыми процессами, возникающими под действием поля. Явление электрического пробоя связана с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.
При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике при воздействии электрического поля.
Электрический пробой чаще всего имеет место при кратковременных воздействиях напряжения и, в частности, при напряжениях импульсного характера и является часто электронным процессом, протекающим очень быстро. Чисто электрической пробой имеет место, когда исключено влияние диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.
Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения. Тепловой пробой в общих чертах может быть охарактеризован следующим образом. Ток, проходя через диэлектрик, разогревает его. При этом может оказаться, что тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. При достижении критической напряженности поле произойдет потери электрической прочности и тепловое разрушение материала. Тепловой пробой – это разогрев материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и т.д.
Величина пробивной напряженности электрического поля при тепловом пробое является характеристикой не столько самого диэлектрика, сколько изготовленного из него электроизоляционного изделия и зависит от условий теплоотвода.
Пробивное напряжение связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и зависит также от нагревостойкости самого материала.
На рис.1 приведена зависимость пробивного напряжения стекла от температуры. Характерный излом кривой в точке А присущ всем твердым диэлектрикам (для каждого при своей критической температуре). Из графика видно, что при низких температурах пробивное напряжение не зависит от температуры, т.е. здесь имеет место область электрического пробоя. Выше некоторой критической температуры (определяемой условиями опыта и свойствами диэлектрика) происходит резкое снижение Uпр и отсюда уже начинается развитие теплового пробоя.
Существенное значение при определении электрической прочности твердых диэлектриков имеет время приложения напряжения.
График зависимости пробивного напряжения от времени действия напряжения показан на рис. 2.
С точки зрения длительности приложения напряжения различают кратковременное, минутное и длительное испытания.
Под кратковременным подразумевают обычно такое испытание, при котором напряжение на испытуемом образце повышают с равномерной скоростью 1-2% в секунду от ожидаемого пробивного значения до момента пробоя.
При минутном испытании к образцу возможно быстро прикладывается заведомо более низкое (50%), чем пробивное, напряжение. Это напряжение выдерживают одну минуту. Затем, повышая напряжение на 10 % от Uпр каждый раз повторяют выдержку, доводя такими ступенями величину напряжения до пробоя диэлектрика.
При длительном испытании на образец подается вначале напряжение, равное половине пробивного при кратковременного испытании, затем через каждые 30 минут напряжение увеличивается ступенями в 5 % от Uпр до пробоя диэлектрика.
Кроме описанных методов, при испытаниях изоляции снимается «кривая жизни». На диэлектрик накладывается ступенями в 5% от кратковременного значения пробивного напряжения испытательное напряжение и в каждом случае фиксируется время, в течение которого образец выдерживает приложенное напряжение. Затем по значениям пробивного напряжения и времени приложения напряжения строят график.