Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков, страница 12

4.1. Измерительные электроды:а – цилиндрический; б – полусферический;в - полосковыйБлизкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков сзакругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. Прииспользовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получаетсялишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.Рис. 4.2.

Характерные расположения диэлектрика вэлектрическом поле:а и б – неравномерные поля; в – равномерное поле1 – электроды; 2 – твердый диэлектрикДля определения Епр твердых изоляционных материалов применяют образцы содной или двумя лунками или с лункой и выточкой.Электроды получают путем осаждения серебра, золота, платины, меди илиалюминия различными методами, например, распылением в вакууме или вжиганием.Могут быть получены графитовые электроды из суспензии графита в лаке.Рис.

4.3 Образцы твердых изоляционных материаловДля жидких диэлектриков используют электроды в формезакругленными краями или электроды в виде сферического купола.дисковс55Рис. 4.4. Ячейка для измерения пробивногонапряжения жидких материалов1 – сосуд; 2 – электродыИспытательная установка содержит устройство для плавного регулированиянапряжения, испытательный трансформатор для повышения напряжения и ряд другихэлементов. В момент пробоя в образце протекает ток короткого замыкания,вызывающийзначительнуюперегрузкутрансформатора,поэтомувцепьвысоковольтного напряжения включается нагрузочное сопротивление R.

В цепи низкогонапряжения предусматривается автоматическое отключение питания после пробоя. Нарисунке показана принципиальная схема измерения Uпр при переменном напряжении.Рис. 4.5. Испытательная установка для измеренияпробивных напряжений на переменном напряженииДля измерения на постоянном токе в цепь высокого напряжения включаютдополнительно выпрямительное устройство. Параллельно образцу включаетсяконденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.56Рис. 4.6.

Испытательная установка для измеренияпробивных напряжений на постоянном напряженииЭлектрический пробойЭлектрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударнойионизацией электронамииз-за разрыва связей между атомами, ионами илимолекулами. Происходит за время 10-5 - 10-8 с.Епр 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.По сравнению с воздухом, у которого Епр при нормальных условиях около 3 МВ/м,наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает102 - 103 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляетпримерно 102 МВ/м.Электротепловой пробойЭлектротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся вдиэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло(тепловыделение) - Q1 становится больше отводимой теплоты – Q2 (теплоотдачи вокружающую среду).

В результате в месте пробоя происходит прогрессирующийразогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного каналавысокой проводимости. Если не учитывать распределение температуры по толщинедиэлектрика, имеющего вид плоскопараллельной пластины, топриближенноевыражение для анализа Uпр на переменном токе можно получить, используя выражениедля рассеиваемой мощности, которая будет равна Q1Q1 = U 2 ωCtgδ ,где U - напряжение, приложенное к электродам образца диэлектрика;ω=2π f − угловая частота, f − частота приложенного напряжения;C − электрическая емкость образца;tgδ − тангенс угла диэлектрических потерь.Полагая, что преобладающими потерями в диэлектрике будут потери,обусловленные проводимостью, можно принять для tgδ экспоненциальную зависимостьот температуры57tgδ = tgδ ⋅ 0 eα (T −T0 ) ,где α и tgδ0 − постоянные, зависящие от природы диэлектрика;T0 − температура окружающей cреды (электродов);T − температура диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь.Теплоотдачу диэлектрика через электроды (пренебрегая выделением теплачерез торцевые поверхности образца) можно найти, используя формулу Ньютона:Q 2 = 2 ⋅ σ ⋅ S ⋅ (T − T0 ),где σ − суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающуюсреду, S− площадь электрода.Из графического представления температурных зависимостей Q1 и Q2, видно,что устойчивое тепловое равновесие будет при U1 и T1, когда равны тепловыделениеи теплоотдача.

В других случаях, показанных на приведенном ниже рисунке,наблюдается состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которогоиз-за прогрессивного разогрева диэлектрика наступит тепловой пробой.Рис. 4.7. Соотношения между выделяемой Q1 иотводимой Q2 мощностями для различных напряженийU1, U2 и U3.Из условия теплового равновесия получим формулу для качественной оценкитеплового пробоя диэлектрикаU=2σ ⋅ S ⋅ (Tкр − T0 )2π ⋅ f ⋅ C ⋅ tgδ 0⎡ a⎤⋅ exp ⎢− ⋅ (Tкр − T0 )⎥,⎣ 2⎦где Ткр соответствует температурам Т2 и Т3.Тепловой пробой обычно происходит в течение 10-2-10-3 с при Епр около 10 МВ/м.Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всеготеплоотдача.Епр при тепловом пробое уменьшается:• при увеличении температуры;• при увеличении времени выдержки образца под напряжением;• при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода отвнутренних слоев (Uпр с увеличением толщины диэлектрика растетнелинейно).Электрохимический пробойЭлектрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрическойпрочности диэлектрика.

Вызывается изменением химического состава и структурыдиэлектрика в результате электрического старения.Время развития этого вида пробоя 103-108 с.58Пробой газообразных диэлектриковПробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинностримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами ифотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле характерназависимость Епр от давления.Рис. 4.8. Зависимость электрической прочности газа отдавленияДавление 0.1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению.Епр при давлении больше нормального растет в связи с уменьшением длинысвободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации.Возрастание Епр при малых давлениях связано с уменьшением вероятностистолкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа.Епр воздуха в однородном поле растет, как показано на рисунке, с уменьшениемрасстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновенияэлектронов с молекулами газа.Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях,например, для воздуха при d=1 см от 30 кВ до 9 кВ.В неоднородном поле на Uпр влияет также полярность электродов.

Так, дляэлектродов с малым радиусом кривизны Uпр при положительной полярностиоказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованиемположительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда,что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.а)б)Рис. 4.9. Зависимости электрической прочностивоздуха от расстояния между электродами – а) ипробивного напряжения от расстояния междуэлектродами для различных полярностей иглы – б)Пробой жидких диэлектриковЭлектрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10-5-10-8с, наблюдается втщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов скатода.

Епр при этом достигает 103 мВ/м.В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер.На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, к числукоторых относятся:• материал электродов;59• примеси;• загрязнение жидкости;• дегазация жидкости и электродов;• длительность воздействия напряжения;• скорость возрастания напряжения и его частота;• температура, давление и др.В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующимзначением (тепловой характер пробоя), в очищенных- амплитудным (электрическаяформа пробоя).Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких так и газообразныхсказываетсянанизкихчастотах.Увеличениеэлектрическойпрочноститрансформаторного масла происходит при фильтрации и осушке (при частоте 50 Гц втрое, на частоте 105 Гц - только на 30%).Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температурыимеется максимум при температурах 30-80 оС, высота которого уменьшается с ростомчастоты (в пределах 0.4-12 МГц).