МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Инженерная школа энергетики
Отделение электроэнергетики и электротехники
Направление − 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Дисциплина – Техника высоких напряжений
Реферат на тему
эЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ. тЕОРИЯ фРЕЛИХА
по дисциплине «Техника высоких напряжений»
Выполнил: студент гр. 5А6А
|
___________________ (подпись)
|
Абдуллаев Б.С.
|
Проверил: старший преподаватель |
___________________ (подпись) ___________________ (дата) |
Старцева Е.В. |
|
|
|
Томск– 2019
Оглавление
Введение 3
1.Электрический пробой твердых диэлектриков 5
2.Тепловой пробой твердых диэлектриков 9
3.Электрохимический пробой твердых диэлектриков 11
Заключение 13
Список литературы 15
Введение
Твердые диэлектрики в качестве составной части электроизоляционной системы высоковольтного оборудования играют важную роль в энергосетях всего мира. Однако, находясь под постоянным напряжением и воздействием внешних факторов, электрическая изоляция подвергается старению и утрачивает свои электроизоляционные свойства – наступает пробой. При пробое твердой составляющей изоляции оборудование выходит из строя – требуется его ремонт или полная замена [1].
С.Н. Колесов и Н.П. Богородицкий выделяют три основных вида пробоя твердых диэлектриков (рисунок 1) – электрический, тепловой и электрохимический [2, с. 129; 1, с.66].
Рисунок 1 – Основные виды пробоя твердых диэлектриков
На механизмы пробоя диэлектриков существенное влияние оказывает неоднородность их структуры, обусловленная природой исходного сырья, наличием посторонних включений и загрязнений, несовершенством процессов технологической обработки и пр. [3, c. 168].
Можно утверждать, что диэлектрики, имеющие неоднородности в своей структуре (поры, микротрещины, инородные включения), встречаются в электротехнике гораздо чаще, нежели материалы с однородной структурой.
Широта промышленного использования диэлектриков позволяет определить задачу исследования – проанализировать механизмы пробоя твердых диэлектриков и влияние неоднородности структуры диэлектрика на его прочность.
В таблице 1 приведены некоторые электрические характеристики твердой изоляции, которые могут быть востребованы в процессе ее эксплуатации.
Таблица 1 – Характеристики изоляции
Электрические |
Механические |
Тепловые |
Химические |
Прочие |
; ; ; ; ; ; t = f (E, f) |
; ; ; твердость; гибкость; эластичность |
; ; ; теплопроводность; теплоемкость; тепловое расширение |
стабильность; растворимость; действие на другие диэлектрики |
удельный вес; абсорбция влаги; действие облучения; микроорганизмы и др. |
Наиболее сильное влияние на электрическую прочность твердой изоляции оказывают время приложения напряжения, температура, толщина.
-
Электрический пробой твердых диэлектриков
Электрический пробой твердых диэлектриков происходит, как правило, в результате перенапряжений и может протекать в диэлектриках с однородной структурой, когда практически исключено влияние тепловых процессов, электрическое старение и частичные электрические разряды в порах изоляции и на ее поверхности.
Начало исследований электрического пробоя твердых диэлектриков можно отнести к концу XVIII в. (работы В.Франца и Ван-Марума) [4, с. 103]. За свою достаточно долгую историю физика диэлектриков обогатилась большим количеством разнообразных теорий электрического пробоя, в большей или меньшей степени согласующихся с экспериментальными данными (рисунок 2).
Рисунок 2 – Основные теории электрического пробоя твердых диэлектриков
В литературе, посвященной проблеме электрического пробоя, чаще всего рассматривают теории ударной ионизации электронами [3, с. 154-158], как наиболее теоретически обоснованные и наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. В основе механизма электрического пробоя, в соответствии с теориями этой группы, лежат процессы, приводящие к лавинообразному возрастанию числа свободных электронов проводимости.
Согласно теории Хиппеля-Каллена (теории ударной ионизации медленными электронами) требуемую для ионизации энергию электроны накапливают после нескольких столкновений. Для этого энергия, теряемая электроном в результате взаимодействия с кристаллической решеткой , должна быть меньше, чем энергия, приобретаемая им в электрическом поле . Условия пробоя в теории Хиппеля-Каллена имеют вид:
,
.
В теории Фрелиха (ударной ионизации быстрыми электронами) решающую роль в пробое твердого диэлектрика играют электроны, энергия которых близка к энергии ионизации . Фрелих доказал, что с увеличением напряженности внешнего электрического поля, уменьшается энергия электронов , при которой наблюдается равновесие
При этом ускоряются электроны, значение энергии которых лежит в пределах
Эти электроны, в дополнение к быстрым, и создают ударную ионизацию. Условия пробоя твердого диэлектрика в теории Фрелиха имеют вид:
В работе Г.А. Воробьева, С.Г. Еханина и Н.С. Несмелова [5] доказано, что в щелочно-галлоидных кристаллах (NaCl и KCl) электрический пробой обусловлен именно ударной ионизацией электронами. Однако авторы отмечают, что на механизм пробоя существенное влияние оказывают дефекты и неоднородности кристаллической структуры. Электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных участках слоя диэлектрика, где под действием электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов.
Н.П. Богородицкий выделяет в качестве отдельного вида электрический пробой неоднородных диэлектриков и отмечает, что пробивные напряжения для них, как правило, невысоки [6, с. 67-69]. Пробивное напряжение неоднородного диэлектрика существенно зависит от его толщины и площади электродов. Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы электрического поля, что приводит к существенному снижению электрической прочности материала.
Электрическая прочность твердой изоляции возрастает с уменьшением ее толщины и особенно быстро – в области микронных толщин. Этот эффект используют в изоляции конденсаторов, кабелей, вводов и др. Влияние температуры наглядно иллюстрируется рисунке 3, где приведена зависимость электрической прочности фарфора от температуры.
Рисунок 3 – Зависимость пробивного напряжения от температуры для фарфора (напряжение 50 Гц)
Видно, что до температуры ~ +75 C пробивная напряженность фарфора практически не изменяется (область А). Дальнейшее увеличение температуры приводит к резкому уменьшению (область Б).
Развитие теплового пробоя в твердом диэлектрике в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности:
где – напряжение, приложенное к изоляции, ;
– ток, текущий через изоляцию, А;
– температура изоляции, К;
– проводимость изоляции, См,
– диэлектрические потери в изоляции.