что такое тепловой пробой диэлектрика

Что такое тепловой пробой диэлектрика

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.

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 U_пр, 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.

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 Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10 2 – 10 3 МВ/м, у тщательно очищенных жидких диэлектриков Е_пр составляет примерно 10 2 МВ/м.

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.

Пробивное напряжение при тепловом пробое:

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

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.

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 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.

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 Е_пр 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 E_пр 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.

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.

Источник

Пробой диэлектриков

ЛЕКЦИЯ №6

Общая характеристика явления пробоя. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрикаE_пр.

Основные виды пробоя следующие:

– электрохимический пробой (электрическое старение).

Электрический пробой вызывается ударной ионизацией электронами, возникающей в сильном электрическом поле и приводящей к резкому возрастанию плотности электрического тока.

Тепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности и приводящим к термическому разрушению диэлектрика.

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике, приводя к необратимому уменьшению сопротивления изоляции и пробою её при напряжённостях значительно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика. Этот процесс также называется электрическим старениемдиэлектрика.

Пробой газа. В газах возникает только электрический пробой. В воздушном промежутке вследствие радиоактивного и космического излучения всегда присутствует небольшое количество заряженных частиц. Электроны в электрическом поле разгоняются электрическим полем и приобретают дополнительную энергию:

где g – заряд электрона, Е – напряженность поля, λ – средняя длина свободного пробега электрона до очередного соударения.

Если напряженность достаточна (то есть Е ≥ Е_пр), то возникает быстро нарастающий поток электронов, приводящий к пробою промежутка.

Пробивная напряжённость (Е_пр) газа зависит от многих факторов. Одним из важнейших факторов является вид поля. На рис.6. приведены зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами для трёх классических промежутков.

Электрическая прочность газа зависит также от плотности газа, которая является функцией давления и температуры.

Рис. 6. Зависимость электрической прочности газа от формы электродов и

расстояния между ними: 1– остриё-плоскость; 2 – остриё-остриё;

Пробой жидких диэлектриков. Теория пробоя жидких диэлектриков не так хорошо разработана, как для газов. В жидких диэлектриках механизм пробоя и пробивное напряжение зависят от чистоты диэлектрика.

Различают три степени чистоты:

1) диэлектрики содержат эмульсионную воду и твёрдые механические загрязнения;

2) технически чистые, диэлектрики практически не содержат эмульсионной воды и механических загрязнений;

3) особо тщательно очищенные, т. е. совершенно не содержат воды и механических загрязнений, а также хорошо дегазированы.

В особо тщательно очищенных жидких диэлектриках возникает только электрическая форма пробоя. Плотность жидкости существенно больше плотности газа, поэтому в них значительно меньше длина свободного пробега электронов (λ), а значит существенно выше пробивная напряжённость.

В электроэнергетике обычно используются технически чистые жидкие диэлектрики, в которых в незначительных количествах возможны примеси. Особенно сильно снижает электрическую прочность жидкого диэлектрика эмульсионная вода, находящаяся в нем даже в небольшом количестве. Пробой увлажнённых жидкостей происходит следующим образом. Капельки эмульсионной воды в электрическом поле поляризуются, втягиваются в пространство между электродами, деформируются и, сливаясь, образуют мостики с малым электрическим сопротивлением, по которым и происходит разряд. Образование мостиков приводит к значительному снижению прочности масла.

Пробой твердых диэлектриков. В твёрдых диэлектриках возможны все виды пробоя. Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же диэлектрика в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), а также от наличия в диэлектрике примесей и дефектов.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счёт диэлектрических потерь, превышает количество тепловой энергии, которая может рассеиваться в данных условиях. При этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер и заканчивается обугливанием, расплавлением, прожогом и т. д.

Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряжённостью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Одна из разновидностей электрохимического пробоя – ионизационный пробой.

Некоторые твёрдые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью. Допустим, в бумажно-масляной изоляции после заливки масла остались газовые (воздушные) пузырьки. Распределение напряжённости между масляной изоляцией Е_м и воздушными пузырьками Е_в не равномерное:

,

т.е. к воздушному пузырьку прикладывается напряжённость примерно в 2,2 раза больше, чем к маслу, а прочность воздуха много меньше

(Е_пр(воз) ≈ 30 кВ/см, Е_пр(м) ≈ 200 кВ/см). Это приводит к тому, что воздушный промежуток будет пробиваться несколько раз на каждой полуволне промышленной частоты. При каждом пробое происходит обугливание бумаги и разложение масла с увеличением воздушного пузыря.

Этот процесс получил название – частичный разряд. Частичные разряды присутствуют во многих видах изоляции, при каждом пробое происходит незначительное снижение прочности изоляции, однако со временем идет накопление повреждения изоляции и снижение её прочности – старение изоляции.

В дальнейшем может произойти пробой изоляции при коммутационных перенапряжениях (во время включения или отключения электроустановок) или даже при номинальном напряжении.

Изготовить слоистую изоляцию без частичных разрядов практически невозможно. Поэтому в слоистой изоляции допускается такой уровень частичных разрядов, который бы обеспечивал достаточно большой срок службы (τ) изоляции (время жизни диэлектрика) до 20 лет.

Источник

Различия между электрической и тепловой формой пробоя. Причины электрической и тепловой форм пробоя. Факторы, влияющие на тепловую и электрическую формы пробоя

Схема установки. Методика проведения измерений

Лабораторная установка состоит из высоковольтного испытательного трансформатора ВТ, к вторичной обмотке которого посредством нижнего заземленного (НЭ) и верхнего (ВЭ) электродов через водяной резистор R, ограничивающий ток при пробое, подключается испытуемый образец ИО. При определении электрической прочности на постоянном токе в цепь вторичной обмотки ВТ включается высоковольтный диод VD и сглаживающий пульсации напряжения высоковольтный конденсатор C. Трансформатор ВТ, образец ИО и токоведущие части установки, которые во время испытания находятся под высоким потенциалом, размещены в помещении, защищенном заземленным металлическим ограждением. На двери ограждения смонтирован контакт ДК, который при открывании двери отключает установку от сети. Включение установки и проведение испытаний возможно только при закрытой двери ограждения. Если дверь закрыта, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа СЛ1, подсвечивая надпись «УСТАНОВКА ВКЛЮЧЕНА». Одновременно подается напряжение на устройство управления СУ электродвигателя, являющегося приводом подвижных контактов автотрансформатора АТ. При замыкании кнопки «Пуск» магнитного пускателя на его обмотку ОП подается напряжение; контакты КП и блокирующие кнопку Пуск вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются, автотрансформатор АТ включается в сеть, загорается сигнальная лампа СЛ2 и на пульте высвечивается красный сигнал «ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДАНО». Замыканием кнопки К включают питание высоковольтного трансформатора ВТ и двигателя ЭД. Напряжение на испытуемом образце ИО автоматически плавно увеличивается со скоростью 500 В/с. В момент пробоя контакты К реле максимального тока ОР размыкаются, питание первичной обмотки высоковольтного трансформатора ВТ отключается, а двигатель ЭД автоматически возвращает подвижные контакты трансформатора АТ в нулевое (начальное) положение, обмотка ОР обесточивается и контакты КР замыкаются. Подача напряжения на образец ИО прерывается, если отжать кнопку К, или нажать кнопку «Стоп» пускателя, или открыть дверь ограждения.

Различия между электрической и тепловой формой пробоя. Причины электрической и тепловой форм пробоя. Факторы, влияющие на тепловую и электрическую формы пробоя

Электрический пробой — 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:

• частоты приложенного напряжения;

В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, имеющего вид плоскопараллельной пластины, то приближенное выражение для анализа U_пр на переменном токе можно получить, используя выражение для рассеиваемой мощности

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 зависимость от температуры.

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 можно найти, используя формулу Ньютона:

где σ − суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду,

S− площадь электрода.

Рисунок 1Соотношения между выделяемой Q1 и отводимой Q2 мощностями

для различных напряжений U1, U2 и U3.

Из графического представления температурных зависимостей Q1 и Q2, видно, что устойчивое тепловое равновесие будет при U1 и T1, когда равны тепловыделение и теплоотдача. В других случаях, показанных на приведенном ниже рисунке, наблюдается состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого из-за прогрессивного разогрева диэлектрика наступит тепловой пробой.

Из условия теплового равновесия получим формулу для качественной оценки теплового пробоя диэлектрика:

где Т_кр соответствует температурам Т₂ и Т_3.

Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2-10^-3 с при Е_пр около 10 МВ/м.

Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача.

Е_пр 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 (U_пр с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно)

Источник

Тепловой пробой твердых диэлектриков

Достаточно длительное воздействие напряжения вызывает выделение тепла внутри диэлектрика, что приводит к снижению пробивного напряжения. Такое явление называется тепловым пробоем.
Через диэлектрик под действием переменного напряжения протекает емкостный ток (ток смещения) /с и активный ток /а, обусловленный диэлектрическими потерями. Отношение /а//с= tg6 — коэффициент диэлектрических потерь изоляции. В газовых изоляциях при докоронных напряжениях tg б практически равен нулю. Для твердых и жидких диэлектриков tg б находится в пределах 0,01 — 0,03 (при 7,= 20°С). С ростом температуры tg б увеличивается, а пробивное напряжение снижается.
В отличие от электрического пробоя тепловой пробой является проявлением температурной неустойчивости на молекулярном уровне.
Величина tg6 является основным показателем электрической прочности диэлектрика в отношении теплового пробоя. При увлажнении диэлектрика tg6 резко повышается. Поэтому увлажнение является наиболее вероятной причиной теплового пробоя. По мере повышения температуры снижается пробивное напряжение, однако такая зависимость существует и при электрическом пробое.
Основной особенностью теплового пробоя является медленное развитие, так как этот процесс развивается по мере разогрева диэлектрика под действием приложенного напряжения. С увеличением напряжения выше пробивного время пробоя снижается, но даже в худших условиях происходит в течение нескольких минут. При напряжении, близком к пробивному, развитие пробоя происходит в течение часов. Как правило, тепловой пробой возникает в области, в которой плохо отводится тепло. Электрический же пробой возникает в области максимальной напряженности поля на краях электродов.
Следует отметить, что тепловой пробой, так же как и электрический, имеет электрическую природу. Происходит тепловой пробой, когда температура диэлектрика достигает значения, при котором в нем образуется электропроводящий канал.

Тепловой пробой в канале высокой проводимости.

При наличии в изоляции дефектов возможно образование в диэлектрике каналов с повышенной проводимостью. Выделяющееся в этом канале тепло создает тепловой поток. С увеличением разности температур в канале и остальном диэлектрике будет расти проводимость канала и соответственно выделяющаяся при этом мощность. Если приложенное к диэлектрику напряжение выше пробивного, то температура внутри канала будет быстро расти и в течение очень малого отрезка времени произойдет пробой.

Пробой жидких диэлектриков имеет много общего с пробоем в газах. Из катода под действием приложенного напряжения выделяются электроны и количество их растет за счет ударной ионизации нейтральных молекул. Искажение электрического поля вызывает появление вторичных электронов и развитие самостоятельных разрядов в виде стримеров.
Под действием приложенного напряжения растворенный в жидком диэлектрике газ (при давлении около 10,1 МПа трансформаторное масло содержит около 10% воздуха) собирается в маленькие пузырьки. Таким образом, жидкие диэлектрики состоят из двух фаз — жидкой и газообразной. Путь разряда включает как жидкую, так и газообразную фазы, что способствует его более быстрому развитию.
В изоляционных жидкостях коронный разряд имеет форму неустойчивого стримера.
В трансформаторном масле коронный разряд не влияет на качество самого масла, но в случае повреждения твердой органической изоляции может произойти резкое снижение электрической прочности всей изоляционной конструкции.
При пересечении стримером всего изоляционного промежутка происходит искровой разряд. Температура в проводящем канале резко повышается, образуется плазма. Жидкость вокруг канала оказывает на него деионизирующее действие. Поэтому если пробой произошел под действием короткого импульса, то возможность перехода импульсного разряда в устойчивую дугу мала и в изоляционном промежутке почти восстанавливается первоначальная электрическая прочность. Пузырьки газа и частицы угля постепенно рассеиваются во всем объеме масла и не вызывают значительного снижения электрической прочности последнего. Но при загрязнениях и особенно при увлажнении электрическая прочность масла резко падает. Под действием электрического поля загрязнения и капельки влаги образуют цепочки вдоль силовых линий поля. Вдоль этих цепочек разрядное напряжение резко снижается.
В трансформаторных маслах вода может содержаться в трех состояниях: молярно-растворенном; в форме эмульсии (капли диаметром около 10 мкм) и в виде отстоя на дне емкости с маслом. Пока вода находится в растворенном состоянии она практически не оказывает влияния на пробивное напряжение. Но при изменении температуры растворенная вода может перейти в водную эмульсию и тогда пробивное напряжение резко упадет.
Вода в виде отстоя тоже не влияет на электрическую прочность масла. Однако при повышении температуры отстой переходит в водную эмульсию, поэтому водный отстой из емкости с трансформаторным маслом необходимо сливать. При увлажнении трансформаторного масла пробивное напряжение падает еще значительнее, если оно загрязнено органическими волокнами, которые очень гигроскопичны и под действием электрического поля образуют проводящие цепочки между электродами.
Разрядное напряжение в значительной степени зависит от времени приложения напряжения.

Рис. 14. Типичная зависимость электрической прочности трансформаторного масла от процентного содержания в нем влаги
В жидкостях, как и в газах, если подъем разрядного напряжения происходит во времени, меньшем чем 10 мкс, стример не успевает развиться. Значительное снижение пробивного напряжения Unp происходит при времени приложения напряжения, большем чем 0,01 с. Поэтому при грозовых импульсах примеси, в том числе и влага, практически не снижают электрической прочности трансформаторного масла.

Источник