Лабораторная работа №9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Общие сведения о пробое твердых диэлектриков

Большинство современных электротехнических конструкций (трансформаторы, конденсаторы, кабели и др.) имеют в качестве основной изоляции твёрдые электроизоляционные материалы. Опыт эксплуатации показывает, что основной причиной отказа таких конструкций является пробой изоляции. Механизм пробоя, его причины многообразны и во многом зависят от условий эксплуатации, качества самих электроизоляционных материалов, конструкции и технологических процессов при изготовлении.

Кроме того, на развитие пробоя в изоляции существенное влияние оказывает степень однородности электрического поля, вид приложенного напряжения, его частота и другие факторы.

Поэтому, изучение механизма пробоя твёрдых диэлектриков, основных закономерностей его развития представляет большой практический интерес с точки зрения правильности выбора рабочих напряжённостей электрического поля и прогнозирования надёжности электроизоляционных конструкций.

Согласно ГОСТ 21515-76 под электрической прочностью понимают минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика. При этом в диэлектрике образуется сквозной канал пробоя, происходит скачкообразное возрастание тока и он теряет свои электроизоляционные свойства. В твёрдом диэлектрике, в отличие от газообразных и жидких диэлектриков, пробой всегда приводит к резкому остаточному изменению свойств этого диэлектрика (механическое разрушение, проплавление и др.).

Минимальное, приложенное к диэлектрику электрическое напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением. За меру электрической прочности диэлектрика принимают среднюю пробивную напряжённость однородного электрического поля

	1	i=nU пр
Eпр.ср =		∑	i	,	(1)
	n
		i=1	di

98

Лабораторная работа №9

где U прi - пробивное напряжение i -го образца, В;

di - толщина диэлектрика i -го образца, м.

В силу особенностей электроизоляционной конструкции, неоднородности самого диэлектрика в его объёме перед пробоем может накапливаться объёмный заряд, приводящий к искажению внутреннего электрического поля и снижению пробивного напряжения. Локальная напряжённость электрического поля - Ел, возникающая в месте неоднородности диэлектрика, может значительно отличаться от средней макроскопической напряжённости поля - Еср, рассчитываемой по формуле (1). Можно записать, что:

Ел = η Еср

(2)

где: η - коэффициент неоднородности электрического поля. Совокупность экспериментальных данных по пробою твёрдых

диэлектриков даёт возможность выделить, по крайней мере, три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Рассмотрим основные признаки и закономерности, характерные для каждой формы пробоя.

1.2. Электрический пробой

Электрический пробой возникает при условии, когда исключены необратимые химические изменения диэлектрика, а также возможность развития теплового пробоя. Для обеспечения указанных условий необходимо, чтобы испытуемый диэлектрик обладал химической стабильностью, малой проводимостью, малым

значением тангенса		угла -	tgδ	и, кроме	того, хорошей
теплопроводностью.
Чаще всего электрический пробой твёрдых					диэлектриков
наблюдается	при	низких	температурах и		на импульсном

напряжении, т.е. при малой длительности приложенного напряжения. Для электрической формы пробоя твёрдых диэлектриков характерны более слабая зависимость их электрической прочности от температуры и толщины, чем при тепловом пробое.

Природа процессов приводящих к электрическому пробою твёрдых диэлектриков сложна и многообразна. Однако, опираясь на современные теоретические представления об электрическом пробое, можно сказать, что процесс электрического пробоя твёрдых

99

Лабораторная работа №9

диэлектриков, также как и газов, в основном связан с возникновением и развитием ударной ионизации электронами.

Исходя из энергетических соображений в феноменологической теории пробоя твёрдых диэлектриков Ю.Н.Вершинина [1] в качестве критерия принят переход вещества в канале разряда в плазмоподобное состояние с разрывом химических связей.

Согласно этому, электрическая прочность твёрдого полимерного диэлектрика может быть определена из выражения:

Епр = 80Кв( Асо )1.1, [Мв/м], где

	Аco = Аc		γ			γ	n		γ
				=1.08Wc			=1.08(∑ni Di	+ mi Ii )		, а
						М			M
			М				i=1
		60 + 0,8В
	Kв =				.
	100
	Здесь В		- вероятность пробоя;
		γ	- плотность вещества, г/см3;

М- молекулярный вес вещества;

ni Di	- энергия диссоциации химических связей, ккал/см3;
miIi	- энергия ионизации атомов, ккал/см3.

Если принять, что энергия диссоциации химических связей и энергия ионизации атомов и молекул остаётся неизменной с ростом температуры, то изменение электрической прочности будет пропорционально изменению плотности вещества вследствие термического расширения.

Согласно теории электрического пробоя Артбауэра [2], уменьшение плотности вещества с ростом температуры, а также тепловое движение сегментов макромолекул в структуре полимерных диэлектриков приводит к образованию "свободных объёмов", в которых длина свободного пробега электронов увеличивается, а, следовательно, облегчаются условия развития ударной ионизации. Всё это обуславливает уменьшение электрической прочности с ростом температуры. Наиболее заметное уменьшение плотности вещества и изменение макроструктуры наблюдается при переходе полимерных диэлектриков из стеклообразного состояния в высокоэластическое. В области этих температур наблюдается и более существенное уменьшение электрической прочности, что видно из приведённого рисунка.

(3)

(4)

(5)

100

Лабораторная работа №9

Рис.1. Зависимость электрической прочности полимерных диэлектриков от температуры

1.3. Тепловой пробой

Развитие теплового пробоя в твёрдых диэлектриках наблюдается когда количество тепла, выделяемое в диэлектрике за счёт электропроводности и диэлектрических потерь, превышает теплоотдачу в окружающую среду. Повышение температуры, поглощение влаги, наличие примесей приводит к росту tgδ и способствует развитию теплового пробоя. Теоретически тепловой пробой возможен для любого диэлектрика. Однако опыт эксплуатации показывает, что тепловой пробой чаще всего имеет место для диэлектриков с повышенной электропроводностью и tgδ , при достаточной величине и длительности воздействующего напряжения, а также в условиях плохого теплоотвода (увеличенная толщина диэлектрика).

Критерием теплового пробоя служит нарушение равновесия между выделяемым в диэлектрике - Qвыд и отводимым количеством тепла - Qотв.

Мощность, выделяемая в диэлектрике за счёт диэлектрических потерь на переменном напряжении равна:

Р =U 2 ω C tgδ ,

где: U - приложенное напряжение

ω- угловая частота;

C - ёмкость диэлектрика;

tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь. Предполагая, что tgδ возрастает с температурой по

экспоненциальному закону, а теплоотвод в окружающую среду определяется из выражения

Qотв = К S (T −To) ,

можно рассчитать величину пробивного напряжения из условия теплового равновесия

(6)

(7)

101