Определение электрической прочности газообразных диэлектриков - ABCD42.RU

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Определения и исследование электрической прочности композиционных(слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты.

Общие сведения

В литературе приводятся различные механизмы пробоя твердых диэлектриков, но при пробое твердых диэлектриков. Наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя. В чистом виде при пробое ни один из механизмов не встречался.

Электрический пробой – разрешение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрушение связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время (10^<-5>-10^<-8>)с.

Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются в так называемые частичные разряды. В результате элктронно-ионной бомбардировке стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электромеханический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электромеханический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Минимальное напряжение (U_<пр>), приложенное к диэлектрику и приводящее к образовании. В нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала ,образуя на органических диэлектриках науглероженный след – трекинг.

Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции – необратимых процессов под действием тепла, и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

Где (E_<пр>) — электрическая прочность, В/м; (U_<пр>) — пробивное напряжение, В; (d) – толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/м.

Для экспериментального исследование пробоя используют электроды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испытания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однородность поля обеспечивает обычно путем придания поверхности электродов определенной формы, например сферической с радиусом R, значительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электрического поля в средней чести между электродами.

Приблизительно однородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подвергнуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя диэлектриков этот процесс проводят в однородном и неоднородном электрических полях. Для получения неоднородного опля используют электроды типа острие-острие или острие-плоскость. Значение (U_<пр>) в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значе6ния напряженности поля (E_<ср>= U_ <пр>/h) вблизи электрода с малым радиусом кривизны.

Большое практическое значение имеет задача изучения электрической прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектриков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бумага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая прочность ((Е_<пр>)) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точечных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и прослойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия газовых включений.

Как на постоянном, так и на переменном токе (Е_<пр>) слоистого диэлектрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений.

Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном – удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределения напряженностей определяется формулами:

Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлектрическая проницаемость εб=4,5, а у масла εм=2,2, и, соответственно, удельная электрическая проводимость γб=10-11 (Ом·м)-1, γм=10-9 (Ом·м)-1, то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на переменном токе напряженность электрического поля больше в слое масла , а на постоянном — в слое бумаге. Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньших напряжениях, чем на постоянном. Этому способствует также и наличие воздушных включений неизбежных в многослойных диэлектриках, в котором на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению электрической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азоты, разрушающие бумагу. Этот процесс называют старением.

В зависимости электрической прочности от числа листов пропитанной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для пакета из 6-7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в самом диэлектрике. Рост Епр в таком случае можно связать с уменьшение вероятности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете, а уменьшение неоднородности электрического поля и неоднородности слоистого диэлектрика(пакета листов).

В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напряжения и электрической прочности, а также определение разброса – разности между максимальной и минимальной измеренными величинами. Так как физическое явление пробоя диэлектрика имеет статический характер, то множество измеряемы величин обычно укладывается в нормальное распределение. Для статической оценки совокупности значений Uпр предусматривается расчет следующих величин статических параметров: разброса значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэфицента вариации и асимметрии, эксцесса и контрэкцесса, 90% доверительного интервала. Следует иметь ввиду, что в ряде случаев, для характеристики опытных данных по пробою диэлектриков могут кроме нормального распределения использоваться логарифмически нормальное распределение, распределение Вейбулла и двойное экспоненциальное распределение. Поэтому, прежде всего, необходимо построить гистограмму для большого количества опытов и определить, подчиняется ли нормальному распределению непосредственно контролируемые величины.

Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности, характеризующую идеальный диэлектрик и, по-видимому, мало отражающую прочность реальных материалов; область модальных значений, отражающую процессы в реальном диэлектрике с внутренне присущими ему микроскопическими дефектами; область минимальных пробивных значений, соответствующую минимальным вероятностям разрушения изоляции. Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соответствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными.

Эксперимент

Оборудование

  1. Термостат
  2. Термокамера
  3. Образцы диэлектриков
  4. Повышающий трансформатор
  5. Вольтметр

Принципиальная схема эксперимента показана на рис. 1.

Электрическая прочность диэлектриков

Электрическая прочность диэлектрика определяет свойство данного диэлектрика выдерживать приложенное к нему электрическое напряжение. Так, под электрической прочностью диэлектрика понимают среднее значение напряженности электрического поля Епр, при которой в диэлектрике наступает электрический пробой.

Электрический пробой диэлектрика — это явление резкого роста электропроводности данного материала под действием приложенного к нему напряжения, с последующим образованием проводящего плазменного канала .

Электрический пробой в жидкостях или газах называют еще электрическим разрядом. По сути такой разряд формируется разрядным током конденсатора, образованного электродами, к которым приложено пробивное напряжение.

В этом контексте пробивным напряжением Uпр называется такое напряжение, при котором начинается электрический пробой, и значит электрическую прочность можно найти по следующей формуле (где h – толщина пробиваемого образца):

Очевидно, пробивное напряжение в каждом конкретном случае связано с электрической прочностью рассматриваемого диэлектрика и зависит от толщины промежутка между электродами. Соответственно, с увеличением промежутка между электродами увеличивается и значение пробивного напряжения. В жидких и газообразных диэлектриках развитие разряда при пробое происходит по разному.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков

Ионизация — процесс превращения нейтрального атома в положительный или отрицательный ион.

В процессе пробоя большого промежутка в газовом диэлектрике, друг за другом следуют несколько стадий:

1. В газовом промежутке, в результате фотоионизации молекулы газа, непосредственно из металлического электрода, или случайно, появляется свободный электрон.

2. Появившийся в промежутке свободный электрон разгоняется электрическим полем, энергия электрона при этом растет, и в конце концов становится достаточной для ионизации нейтрального атома при соударении с ним. То есть происходит ударная ионизация.

3. Вследствие множества актов ударной ионизации образуется и развивается электронная лавина.

4. Образуется стример — плазменный канал, сформированный положительными ионами, которые остались после прохождения лавины электронов, и отрицательными, которые теперь втягиваются в положительно заряженную плазму.

5. Емкостный ток через стример вызывает термоионизацию, и стример преобразуется в лидер.

6. При замыкании разрядного промежутка каналом разряда происходит главный разряд.

Если разрядный промежуток достаточно мал, то процесс пробоя может закончиться уже на стадии лавинного пробоя или на стадии образования стримера — на стадии искры.

Читайте также  Преступления против собственности

Электрическую прочность газов определяют:

Расстояние между электродами;

Давление в пробиваемом газе;

Сродство молекул газа к электрону, электроотрицательность газа.

Связь с давлением объясняется так. С ростом давления в газе, расстояния между его молекулами уменьшаются. Электрону при разгоне необходимо на длине свободного пробега, гораздо меньшей, приобрести ту же энергию, которой хватит для ионизации атома.

Данная энергия определяется скоростью электрона при соударении, а скорость развивается за счет ускорения силой, действующей на электрон со стороны электрического поля, то есть за счет его напряженности.

Кривая Пашена показывает зависимость величины пробивного напряжения Uпр в газе от произведения расстояния между электродами и давления — p*h. Например, для воздуха при p*h = 0,7 Паскаль*метр, пробивное напряжение составляет около 330 вольт. Рост пробивного напряжения левее этого значения обусловлен тем, что вероятность столкновения электрона с молекулой газа снижается.

Сродством к электрону называется способность некоторых нейтральных молекул и атомов газов присоединять к себе дополнительные электроны, и становиться отрицательными ионами. В газах, обладающих атомами с высоким сродством к электрону, в электроотрицательных газах, электронам необходима большая энергия разгона для формирования лавины.

Известно, что в нормальных условиях, то есть при обычных температуре и давлении, электрическая прочность воздуха в промежутке длиной 1 см составляет приблизительно 3000 В/мм, но при давлении в 0,3 МПа (в 3 раза больше обычного) электрическая прочность того же воздуха становится близкой к 10000 В/мм. Для элегаза, электроотрицательного газа, электрическая прочность в нормальных условиях составляет приблизительно 8700 В/мм. А при давлении в 0,3 МПа достигает 20000 В/мм.

Электрическая прочность жидких диэлектриков

Что касается жидких диэлектриков, то их электрическая прочность не связана напрямую с химическим строением. А главное, что влияет на механизм пробоя в жидкости — это очень близкое, по сравнению с газом, расположение ее молекул. В жидком диэлектрике невозможна ударная ионизация, типичная для газов.

Энергия ударной ионизации приблизительно равна 5 эВ, и если выразить эту энергию как произведение напряженности электрического поля, заряда электрона и длины свободного пробега, которая равна примерно 500 нанометров, а затем вычислить из нее электрическую прочность, то получится 10000000 В/мм, а реальная электрическая прочность для жидкостей лежит в диапазоне от 20000 до 40000 В/мм.

Электрическая прочность жидкостей в реальности зависит от количества в этих жидкостях газа. Также электрическая прочность зависит от состояния поверхностей электродов, к которым приложено напряжение. Пробой в жидкости начинается с пробоя мелких пузырьков газа.

У газа диэлектрическая проницаемость значительно ниже, поэтому напряженность в пузырьке оказывается выше, чем в окружающей его жидкости. При этом электрическая прочность у газа ниже. Разряды в пузырьках приводят к росту пузырьков, и в конце концов, в результате частичных разрядов в пузырьках происходит пробой жидкости.

Большую роль в механизме развития пробоя жидких диэлектриков играют примеси. Рассмотрим, например, трансформаторное масло. Сажа и вода, в качестве проводящих включений, снижают электрическую прочность трансформаторного масла.

Вода хоть и не смешивается обычно с маслом, но мельчайшие ее капельки в масле под действием электрического поля поляризуются, образуют цепочки повышенной, по сравнению с окружающим маслом, электропроводности, в итоге по цепочке и происходит пробой масла.

Для определения электрической прочности жидкостей, в лабораторных условиях применяют электроды в форме полусфер, радиус которых в несколько раз превышает расстояние между ними. В промежутке между электродами создается равномерное электрическое поле. Типичное расстояние — 2,5 мм.

Для трансформаторного масла пробивное напряжение не должно быть меньше 50000 вольт, и лучшие его образцы отличаются значением пробивного напряжения в 80000 вольт. При этом, вспомните, что в теории ударной ионизации это напряжение должно было бы быть 2000000 — 3000000 вольт.

Так, чтобы повысить электрическую прочность жидкого диэлектрика необходимо:

Очистить жидкость от твердых проводящих частиц, таких как уголь, сажа и т. д.;

Устранить из жидкого диэлектрика воду;

Провести дегазацию жидкости (вакуумировать);

Повысить давление в жидкости.

Электрическая прочность твердых диэлектриков

Электрическая прочность твердых диэлектриков связана с временем, в течение которого приложено пробивное напряжение. И в зависимости от времени воздействия напряжения на диэлектрик, и от физических процессов, которые в это время происходят, различают:

Электрический пробой, возникающий через доли секунд после приложения напряжения;

Тепловой пробой, возникающий через секунды или даже через часы;

Пробой вследствие частичных разрядов, время его воздействия может составлять более года.

Механизм пробоя твердого диэлектрика заключается в разрыве химических связей в веществе под действием приложенного напряжения, с превращением вещества в плазму. То есть можно говорить о пропорциональности между электрической прочностью твердого диэлектрика и энергией его химических связей.

Твердые диэлектрики зачастую превышают по значению электрической прочности жидкости и газы, например изоляционное стекло обладает электрической прочностью около 70000 В/мм, поливинилхлорид — 40000 В/мм, а полиэтилен 30000 В/мм.

Причина теплового пробоя кроется в разогреве диэлектрика из-за диэлектрических потерь, когда энергия потерь по мощности превосходит энергию, отводимую от диэлектрика.

С повышением температуры растет число носителей, растет проводимость, угол потерь возрастает, в связи с этим температура повышается еще больше, электрическая прочность падает. В итоге из-за разогрева диэлектрика происходящий пробой получается при напряженности более низкой, нежели без разогрева, то есть если бы пробой был чисто электрическим.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Пробой диэлектрика – это потеря изоляционных свойств материала при его нахождении в электрическом поле. В диэлектрике образуется канал проводимости. При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства.

Электрическая прочность – это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.

где Eпр, В/м; Uпр — пробивное напряжение, В; d — толщина диэлектрика, м.

Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому

Неполный пробой (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и

Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Поверхностный пробой происходит по границе раздела фаз при совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Электрический пробой – это разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10 -5 – 10 -8 с.

Е пр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит: от температуры, частоты приложенного напряжения; геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10 -4 — 10 -5 см .

На электрическую прочность диэлектриков значительное влияние оказывает неоднородность образующегося в них электрического поля, которая, в свою очередь, зависит от степени неоднородности строения самого твердого диэлектрика.

Е пр воздуха около 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10 2 – 10 3 МВ/м, у тщательно очищенных жидких диэлектриков Епр составляет примерно 10 2 МВ/м.

Электротепловой пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) — Q 1 становится больше отводимой теплоты – Q 2 (теплоотдачи в окружающую среду). Тепловой пробой происходит в течение 10 -2 – 10 -3 с при Епр около 10 МВ/м.

Устойчивое тепловое равновесие наступит для U 1 при T 1 и для U 2 при T 2 , когда равны тепловыделение и теплоотдача (рисунок 5.1). При T T 1 для U 1 и при T T 2 для U 2 хотя и выполняется необходимое условие теплового пробоя ( Q 1 и Q 2 ) пробой диэлектрика не происходит, так как система стремится к тепловому равновесию (с повышением температуры разность между Q 1 и Q 2 уменьшается).

При T> T 3 для U 1 и при T> T 2 для U 2 нарушается тепловое равновесие, происходит прогрессирующий разогрев материала и пробой диэлектрика.

Рис. 5.1. Соотношения между выделяемой Q 1 и отводимой Q 2 мощностями для различных напряжений U 1, U 2 и U 3 .

Пробивное напряжение при тепловом пробое:

где Ткр соответствует температурам Т2 и Т3, f — частота приложенного напряжения; C — емкость образца; α и tg δ — постоянные, зависящие от природы диэлектрика; T — температура окружающей c реды (электродов); S — площадь электрода, s — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду,

Е пр при тепловом пробое уменьшается при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением и толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10 3 -10 8 с. Причины (случаи) электрохимического пробоя:

Читайте также  Студент как субъект учебно-профессиональной деятельности

1) Постоянное напряжение или низкие частоты: электрохимическое старение, приводящее к уменьшению электрического сопротивления.

2) На высоких частотах может происходить ионизация газа в закрытых порах, вызывающая тепловой эффект и восстановление (в керамике) окислов металлов переменной валентности. Электрохимический пробой также может наблюдаться во многих органических диэлектриках.

На электрохимический пробой сильно влияют электроды материалов (серебро способное диффундировать в керамику облегчает пробой, в отличие от золота).

Пробой газообразных диэлектриков

В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий:

1) молекула ионизируется, испуская электрон, и таким образом, двигаются два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы – в результате наблюдается ударная ионизация приводящая к возникновению электронной лавины;

2) молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения – фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация.

Фотоны, двигаясь со скоростью света, опережают электронные лавины и «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.

Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин,. Также образуется поток из положительных ионов (электроположительный стример), который двигается в обратном направлении. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы, по которому устремляется ток короткого замыкания Iкз.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть электрический пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя.

Закон Пашена . Закон Пашена показывает зависимость Unp газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.2). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp .мин в зависимости от произведения Ph .

Рис. 5.2. Зависимость пробивного напряжения U пр.макс воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода.

В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. Энергия, выделяющаяся в ионизирующихся пузырьках газа, приводит к перегреву жидкости, что может послужить причиной закипания капелек влаги (локальный перегрев) и возникновению газового канала между электродами.

Сажа и обрывки волокон в жидкости приводят к искажению электрического поля в жидкости, понижая электрическую прочность жидкого диэлектрика.

На высоких частотах происходит разогрев жидкости за счет релаксационных потерь и наблюдается термическое разрушение жидкости.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках может происходить электрический, тепловой или электрохимический пробой.

Ионизационный пробой наблюдается в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электротермический пробоймеханическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электрическая прочность очень тонких неоднородных образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов, так как возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест.

С увеличением числа слоев тонкой изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода (рисунок 5.3).

Риc. 5.3. Зависимость Eпр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)

Вопросы для самопроверки

Вопрос. Что называется электрической прочностью?

Ответ. Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле.

Вопрос. В чем состоит явление электрического пробоя?

Ответ. Электрический пробой – разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами.

Вопрос. От чего зависит главным образом электрическая прочность при электрической форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика.

Вопрос. При каких условиях возможен электротепловой (тепловой) пробой?

Ответ. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты.

Вопрос. Время протекания теплового пробоя.

Ответ. Тепловой пробой обычно происходит в течение 10 -2 –10 -3 с.

Вопрос. Какие факторы обуславливают снижение электрической прочности при тепловой форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры; при увеличении времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

Вопрос. Чем обусловлен электрохимический пробой?

Ответ. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения.

Вопрос. В чем различие между полным, неполным и частичным пробоем?

Ответ. Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому. Неполный пробой — канал проводимости не достигает одного из электродов. Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Вопрос. Какие виды пробоя возможны в твердых диэлектриках?

Ответ. В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков

Механизм пробоя

Пробой газообразных диэлектриков имеет электрический характер и включает следующие стадии:

1. Фотоионизация катода.

Под действием внешнего ионизатора (световое излучение, температура и др.) инициируется процесс фотоэмиссии электронов из катода с образованием в диэлектрике первичных свободных электронов:

Ме + hν → Ме + + e (12)

где hν – энергия фотона, h – постоянная Планка, ν–частота колебаний.

2. Образование первичных электронных лавин.

Первичные электроны ускоряются электрическим полем до скорости 10 6 м/с и вызывают ударную ионизацию нейтральных атомов или молекул (М) газа, сопровождающуюся образованием первичных электронных лавин:

М + e → М + +2е;

2е+ 2М 2М + +4е;

4е+ 4М 4М + +8е

Электронная лавина имеет форму конуса с вершиной, направленной в сторону катода и состоит положительных ионов газа (для воздуха это О2 + , N2 + , NО + и др.) и электронов.

3. Образование вторичных электронных лавин.

Вторичные электронные лавины образуются по механизму внутренней фотонной ионизации.

Некоторые электроны при столкновении с нейтральными молекулами «прилипают» к ним и передают им энергию. Возникают возбужденные молекулы. Эти молекулы излучают квант электромагнитной энергии (фотон), который, распространяясь со скоростью света (3·10 8 м/с) ионизируют газ впереди первичной лавины и создают вторичные лавины:

М · М + ;

+ М М + +е;

е+ М М + +2е;

2е+ 2М 2М + +4е;

4. Слияние электронных лавин и образование стримера.

Стример – токопроводящий канал между анодом и катодом, состоящий, главным образом, из положительных ионов газа.

5. Пробой газа.

Положительные ионы бомбардируют катод и создают в нем высокотемпературное «катодное пятно», излучающее электроны. Электроны устремляются к аноду. Этот процесс наблюдается в межэлектродном пространстве как искра, а при большой мощности источника напряжения в виде непрерывного дугового разряда.

Зависимость Епр газообразных диэлектриков от различных факторов

Зависимость Епр от давления (рис. 22.4)

Рис. 22.4. Зависимость Епр газообразного диэлектрика от давления

Участок I – глубокий вакуум; имеет очень высокую электрическую прочность ввиду отсутствия молекул и атомов для ионизации. Пробой обусловлен явлением «холодной эмиссии» электронов – то есть вырыванием электронов из металлического катода под действием электрического поля.

Участок II – при увеличении давления увеличивается плотность газа, увеличивается вероятность образования электронных лавин, поэтому Eпр уменьшается.

Участок III — при увеличении Р увеличивается плотность газа и уменьшается длина свободного пробега электронов λ. Следовательно, в соответствии с (3), здесь для достижения электроном энергии ионизации газа Wи требуется большая напряженность электрического поля E ипоэтому Eпр увеличивается.

Газы под высоким давлением применяются в качестве изоляции и кабелях и конденсаторах высокого напряжения.

Зависимость Епр от частоты напряжения (рис. 22.5)

Участок I – до f = 10 4 Епр не зависит от частоты напряжения, здесь время перемещения электронов и ионов к электродам меньше полупериода приложенного напряжения (Т/2), то есть все заряды достигают электродов.

Рис. 22.5. Зависимость Епр газообразного диэлектрика от частоты напряжения

Участок II – при увеличении f за время Т/2 ионы на успевают достигать электродов, создаются положительные объемные заряды, которые увеличивают локальную E. Следовательно, в соответствии с (3), здесь для достижения электроном энергии ионизации газа Wи требуется меньшая λ и увеличивается вероятность образования электронных лавин. Поэтому Eпр уменьшается.

Читайте также  Человек, биосфера и космические циклы

Участок III – при увеличении f за время Т/2 электроны на успевают достигать электродов, создаются отрицательные объемные заряды, которые увеличивают локальную E.

Участок IV – при увеличении f время формирования электронных лавин становится больше Т/2, уменьшается вероятность образования стримера. Поэтому Eпр увеличивается.

Зависимость Епр от расстояния между электродами h и влажности газа

Уменьшение h приводит к уменьшению λ и, следовательно, в соответствии с (3), для достижения электроном энергии ионизации газа Wи требуется большая напряженность электрического поля E.Поэтому Eпр увеличивается (рис. 22.6).

Вода имеет низкую энергию ионизации, следовательно, при увеличении влажности газа его энергия ионизации будет уменьшаться и она может быть достигнута при меньшей Е. Следовательно, Епр газа при увеличении влажности будет уменьшаться.

Рис. 22.6. Зависимость Епр газообразного диэлектрика от расстояния между электродами h и влажности газа

Закон Пашена

Закон устанавливает, что для каждого газа существует минимальное значение пробивного напряжения Uпр.min в зависимости от произведения давления Р на расстояние между электродами h (рис. 22.7).Приведенные нарис. 22.7 данные справедливы для неионизированного газа в однородном электрическом поле при частоте 50 Гц.

Для снижения пробивного напряжения газоразрядных приборов их заполняют инертными газами (Ne, Хе и др.), а электроды изготавливают из металлов с присадкой щелочных металлов (Nа, К и др.), имеющих малую работу выхода электрона.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле

Неоднородное электрическое поле возникает между электродами плоскость – игла, коаксиальными цилиндрами, сферическими поверхностями если расстояние между ними более диаметра сфер, между проводами линий электропередач (рис. 22.8).

Рис. 22.8. Неоднородное электрическое поле между электродами: (а) — плоскость – игла, (б) — коаксиальными цилиндрами, (в) — сферическими поверхностями

В неоднородном поле электрическая прочность диэлектриков ниже. чем в однородном поле, так как средняя напряженность поля оказывается выше номинальной напряженности. В области повышенной Е возникает неполный пробой в виде коронного разряда, который представляет собой область ионизированного газа со слабым свечением и характерным шипением. При возрастании напряжения или увеличении влажности диэлектрика коронный разряд переходит в искровой или дуговой разряд.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Исследование электрической прочности диэлектриков

Вы будете перенаправлены на Автор24

Электрическая прочность жидких, твердых и газообразных диэлектриков

Электрическая прочность — это характеристика диэлектрика, представляющая собой минимальную напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой.

Электрический пробой — это возрастание электрического тока в диэлектрике, которое возникает при приложении напряжения выше, чем критическое.

Электрическая прочность газообразных веществ определяется:

  1. Давлением в исследуемом газе.
  2. Расстоянием между электродами.
  3. Сродством молекул газа к электрону.

Связь электрической прочности с давлением объясняется следующим образом. С увеличением давления в газе, расстояние между его молекулами уменьшается. Для разгона электрону на длине разбега необходимо приобрести такую же энергию, как и для ионизации газа. Эта энергия определяется скоростью электрона в момент соударения, а скорость развивается благодаря ускорению силой, которая действует на электрон со стороны электрического поля, то есть благодаря напряженности.

Зависимость пробивного напряжения и расстояния между электронами показывается при помощи кривой Пашена, пример которой (для воздуха), изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Кривая Пашена. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Сродство электронов представляет собой способность некоторых молекул и атомов газообразного вещества присоединять к себе дополнительные электроны и тем самым становиться отрицательными ионами. В газах, обладающих атомами с высоким сродством, электронам необходима большая энергия разгона.

Электрическая прочность жидких диэлектриков напрямую не связана с их химическим строением. На электрический пробой таких диэлектриков влияние оказывает тот факт, что между их электронами, по сравнению с газовыми, очень маленькое расстояние. В реальности электрическая прочность жидкостей зависит от количества газа в них, а также от состояния поверхности электродов, к которой прилагается напряжение. Еще одним фактором, определяющим электрическую прочность жидких диэлектриков является количество примесей в них.

Готовые работы на аналогичную тему

Электрическая прочность твердых диэлектриков связана с временем, в течении которого прикладывается пробивное напряжение. В зависимости от данного времени и ряда физических процессов, происходящих за этот промежуток времени, различают:

  1. Тепловой пробой, который возникает в промежуток от нескольких секунд до нескольких часов.
  2. Электрический пробой, который возникает через доли секунды.
  3. Пробой из-за частичных разрядов, который может возникнуть более, чем через год.

Электрическая прочность твердых диэлектриков, в большинстве случаев, больше, чем у газов и жидкостей.

Исследование электрической прочности в диэлектриках

Электрическая прочность диэлектрика может быть выражена следующим образом:

где: Uпр — пробивное напряжение; d – толщина исследуемого диэлектрика.

Для исследования пробоя диэлектрика используются электроды различной формы, между которыми помещается сам диэлектрик. Испытания могут проводиться в неоднородном и/или однородном электрическом поле. В жидких и газообразных диэлектриках однородность электрического поля обеспечивается за счет придания поверхностям электродов определенной формы, например, сферической с определенным радиусом, который значительно больше, чем расстояние между самыми близкими точками. Еще могут использоваться электроды Роговского, у которых форма соответствует эквипотенциальным поверхностям, что обеспечивает однородность электрополя в средней части между электродами.

Почти однородное электрическое поле в твердых диэлектриках может быть получено благодаря механической обработке, предполагающей высверливание или выдавливание в них лунок с сферической поверхностью. Чтобы точно установить механизм и закономерности пробоя диэлектрика данный процесс осуществляется в однородном и неоднородном полях. Для получения неоднородного поля применяются электроды типа острие-плоскость или острие-острие. Значение пробивного напряжение в неоднородном электрическом поле заметно ниже, чем в однородном. Причина такого явления — увеличение средней напряженности поля вблизи электрода с маленьким радиусом кривизны:

Важным практическим значением является задача исследования электрической прочности композиционных, неоднородных и слоистых диэлектриков. К данным диэлектрикам относится конденсаторная бумага, которая пропитана изоляционным маслом. Электрическая прочность нескольких слоев такой бумаги зависит от точечных повреждений отдельных слоев (микронеоднородность), их площади, формы используемых электродов, толщины одного листа, плотности бумаги, а также от толщины прослойки масла между листами, их диэлектрических свойств и наличия включений газа.

В системе контроля качества изоляции получил широкое распространение метод определения электрической плотности и среднего пробивного напряжения, основанный на определении разности между максимальными и минимальными измеренными величинами. Для этого определяются такие параметры как дисперсия, доверительный интервал, среднеквадратичное отклонение, коэффициент вариации и т. п.

Методика определения кратковременной электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков

Страницы работы

Содержание работы

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрической изоляции,

кабелей и конденсаторов

о лабораторной работе № 3

«Исследование электрической прочности диэлектриков»

Работу выполнили студенты группы 3022/1

Сморгонский А. В.

Работу приняла преподаватель

Санкт-Петербург, 2005 г.

1. Цели работы:

— закрепить теоретические знания физических основ явления пробоя,

— ознакомиться с методикой определения кратковременной электрической прочности газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

2. Объекты исследования:

— газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.

3. Перечень оборудования и приборов:

— измерительная установка для определения электрической прочности,

— шаровые, игольчатые разрядники.

4. Программа работы:

4.1 Пробой газов.

А) Определить электрическую прочность воздуха в квазиоднородном поле.

Б) Определить электрическую прочность воздуха в неоднородном поле.

Расчетные формулы:

, ,

где U1 – отсчет по шкале вольтметра, U2 – пробивное напряжение заданного зазора h между сферами, К – коэффициент передачи, UПР – пробивное напряжение воздушного зазора h, EПР – электрическая прочность воздуха.

Исходные данные:

где d – диаметр сферы.

А) Определение электрической прочности воздуха в квазиоднородном поле (шар – шар).

Табл. 1. Результаты эксперимента и их обработка.

Пример расчета для первой строки:

Рис. 1. Графики зависимостей UПР = f(h) и EПР = f(h) для квазиоднородном поле.

Б) Определение электрической прочности воздуха в неоднородном поле (шар – игла).

Табл. 2. Результаты эксперимента и их обработка.

Пример расчета для первой строки:

Рис. 2. Графики зависимостей UПР = f(h) и EПР = f(h) для неоднородного поля.

Выводы по п. 4.1:

Как мы и ожидали, при увеличении расстояния между электродами (как для случая однородного, так и для случая неоднородного поля), напряжение пробоя увеличивалось, а электрическая прочность воздуха уменьшалась. Это объясняется тем, что между электродами отсутствуют условия для развития лавин вследствие малой длины пробега носителей заряда.

Кроме того, при равных газовых промежутках, электрическая прочность выше в однородном электрическом поле. Это обусловлено тем, что при низком напряжении наблюдается развитие частичных разрядов в виде короны с последующим переходом в искровой разряд и дугу при увеличении напряжения.

4.2 Пробой твердых диэлектриков.

А) Исследование влияния структуры электроизоляционных материалов на их электрическую прочность.

Б) Исследование влияния пропитки на электрическую прочность целлюлозных материалов.

В) Исследование числа слоев на электрическую прочность твердых диэлектриков.

Расчетные формулы:

,

А) Исследование влияния структуры электроизоляционных материалов на их электрическую прочность.

Табл. 3. Результаты эксперимента и их обработка (1 слой конденсаторной бумаги).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: