Определение электрической прочности диэлектриков

Для вычисления электрической прочности диэлектрика необходимо измерить его U_пр. Для сопоставимости результатов, полученных разными лабораториями, введены стандарты (ГОСТы) на условия испытаний (форму, размеры и материал электродов; вид и длительность приложения напряжения; параметры окружающей среды и пр.)

Длительность приложения напряжения.Установлены методы определения U_пр при переменном (промышленной и повышенной частоты), импульсном и постоянном токе. По длительности приложения напряжения различают импульсные, кратковременные и длительные испытания на пробой.

Импульсное воздействие применяют для оценки стойкости изоляции к перенапряжениям, а также с целью изучения физического механизма быстро протекающих процессов электрического пробоя.

При кратковременных испытаниях переменное или постоянное напряжение повышают автоматически (либо плавно – с фиксированной скоростью, либо ступенями - за время от нескольких секунд до минут). Момент пробоя диэлектрика фиксируют по резкому увеличению тока или спаду напряжения, определяя величину кратковременного пробивного напряжения U_{пр кр}.

В случае длительных испытаний, применяемых для исследования надежности изоляции и изучения процессов электрического старения, оценивают время жизни от момента подачи напряжения (U_исп < U_пр) до пробоя диэлектрика.

Форма электродов.Пробивное напряжение пропорционально напряженности электрического поля только при условии его однородности, степень которой определяет форма электродов. Электрическое поле является наиболее однородным в случае применения так называемых электродов Роговского, поверхности которых описываются уравнениями Роговского и соответствуют форме эквипотенциальных линий поля. На практике, особенно для сравнительных испытаний, используют электроды более простой формы: диски с закругленными краями или шары. Если размер сфер много больше длины разрядного промежутка (толщины диэлектрика), то получают относительно однородное (или слабо неоднородное) поле.

В неоднородном поле (например: электроды типа шар-игла или игла-игла) U_пр всегда меньше, чем в однородном поле, при прочих равных условиях, так как в этом случае на элемент диэлектрика приходится большая электрическая нагрузка. Именно поэтому технологические нарушения типа складок при намотке ленточной изоляции, пылинок и пр. повышают вероятность пробоя. При вычислении электрической прочности в условиях неоднородного поля вводят поправочный коэффициент а>1. Тогда: Е_пр = (а×U_пр) / d. (22)

Величина коэффициента азависит от формы, размера электродов и расстояния между ними. Отмечено и влияние материала, из которого сделаны электроды. Поэтому значение поправочного коэффициента должно указываться в стандарте на материал.

Обработка результатов измерения. Величина пробивного напряжения диэлектрика определяется электрической прочностью наиболее слабого участка. Величина Е_прэлектроизоляционного материала существенно зависит от местных изменений толщины диэлектрика, наличия дефектных мест (неоднородностей, полупроводящих включений, пустот и пр.), а также от состояния поверхности электродов. Поскольку перечисленные факторы случайны, то и электрическая прочность диэлектрика также является случайной величиной, при определении которой наблюдается значительный разброс значений. Поэтому испытания на пробой производят путем многократных измерений на больших партиях образцов (выборках) с последующей статистической обработкой экспериментальных результатов.

Установлено, что распределение кратковременной электрической прочности диэлектрических материалов подчиняется нормальному закону, реже – экстремальному закону Вейбулла. В соответствии с нормальным законом распределения по результатам измерения U_пр выборки из n образцов рассчитывают значения их Е_пр, а затем – среднюю величину электрической прочности диэлектрика [ кВ/мм ]: (23)

Разброс значений электрической прочности характеризуют среднеквадратическим отклонением:

(24)

Если испытания проводились на одних и тех же электродах при постоянном расстоянии между ними (или при одной и той же толщине диэлектрика), то о степени однородности материала можно судить по величине коэффициента вариации К_вар (тем точнее, чем больше выборка):

(25)

Согласно стандарту, при К_вар< 15% материал считается относительно (более) однородным, а результаты измерения – достоверными. При К_вар > 15% качество диэлектрика неудовлетворительно (материал неоднороден) и для получения достоверных результатов необходимо увеличивать выборку.

Однако в любом случае ограниченное число измерений приводит к тому, что найденные Е_пр и S будут случайными величинами. Известно, что отклонение средних значений от истинногоили генерального среднего подчиняется распределению Стьюдента (t-распределение). Тогда отклонение от средней величины электрической прочности при данной доверительной вероятности p определяется, как: (26)

где t – величина критерия Стьюдента для n измерений.

Для вероятности p = 95% имеем:

n
t	2,78	2,57	2,45	2,37	2,31	2,26

Окончательное значение электрической прочности (определенное, например, по 5 пробоям) с вероятностью 95% будет находиться в пределах: (27)

Механизм пробоя диэлектриков.

Кратковременная электрическая прочность электроизоляционных материалов определяется прежде всего их физическим состоянием и структурой.

Пробой газов. Пробой газообразных диэлектриков носит чисто электрический характер и происходит вследствие ударной и фотонной ионизации, заключающейся в лавинообразном расщеплении нейтральных атомов (молекул) газа на электроны и ионы.

Под воздействием внешних факторов (например: ультрафиолетовое и радиационное излучения) развивается начальная ионизация атомов (молекул) газа с образованием незначительного количества свободных электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. При наложении электрического поля свободные заряженные частицы (главным образом, электроны) получают добавочную скорость и начинают движение в направлении поля, приобретая дополнительную энергию:

(28)

где q - заряд частицы; U_λ –разность потенциалов на длине свободного пробега (λ). Если электрическое поле однородно, то: (29)

где Е– напряженность поля в газе, λ–длина свободного пробега электронов (среднее расстояние между двумя соударениями), зависящая от давления газа.

Отсюда: (30)

Если приобретенная энергия W достаточно велика, то в случае соударения заряженной частицы с нейтральным атомом (молекулой) газа происходит либо возбуждение – переход электрона на более удаленную орбиту, либо ионизация –расщепление атома (молекулы) на электроны и положительные ионы. Так, например, при разряде в воздухе образуются следующие положительные ионы: О⁺, О₂⁺, N⁺, N₂⁺, NO⁺.В некоторых случаях (например, в кислороде, углекислом газе, парах воды и др.) электрон, встречаясь c нейтральным атомом (молекулой), соединяется с ним, образуя отрицательный ион. Следует отметить, что в инертных газах (аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте) подобного явления не наблюдается.

Условия возникновения ударной ионизации: (31)

где: W_ион – энергия ионизации, характеризуемая потенциалом U_ион = W_ион / q.

Для различных газов W_ион = (4 – 25) эВ при выбивании одного электрона. Установлено, что электрон ионизирует молекулы газа, если скорость его движения превышает 1000 км/с.

Одновременно развивается и фотонная ионизация за счет поглощения нейтральными атомами (молекулами) энергии фотонов, испускаемых возбужденными, но не ионизованными, частицами. Появившиеся вследствие указанных процессов свободные электроны в свою очередь также ионизируют или возбуждают нейтральные атомы (молекулы), а положительные ионы выбивают электроны при ударах о катод. Число свободных носителей в газе лавинообразно нарастает, что приводит к образованию проводящих каналов – стримеров: отрицательного (состоящего из двигающихся от катода к аноду электронов и отрицательных ионов) и положительного (представляющего собой направленный от анода к катоду поток положительно заряженных ионов). Проводящие каналы в газе развиваются практически мгновенно. Происходит электрический пробой.

Электрическая прочность газов в нормальных условиях невелика и в значительной мере зависит от их химического состава, условий эксперимента и внешних факторов: формы распределения электрического поля, расстояния между электродами, давления, влажности, температуры и частоты переменного поля. Е_пр газообразных диэлектриков резко снижается при увеличении степени неоднородности поля: наблюдается развитие частичных разрядов в виде короны с последующим переходом в искровой разряд и дугу при увеличении напряжения. Так, для воздуха (который служит внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций: трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередачи) при нормальном давлении в однородном электрическом поле при газовом промежутке порядка 1–10 мм Е_пр = 3 кВ/мм,в неоднородном – 0,5 кВ/мм. Газы, содержащие галогены (J,Br,Cl,F), как, например, фреон CF₂Cl₂ или элегаз SF₆, имеют электрическую прочность, которая в 2,5 – 3,0 раза выше, чем у воздуха или азота.

На электрическую прочность газа влияет длина разрядного промежутка. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличениеэлектрической прочности, связанное с отсутствием условий для развития лавин вследствие малой длины пробега свободных носителей заряда. Так, если для воздуха в нормальных условиях при разрядном промежутке 1–10 мм Е_пр = 3 кВ/мм, то при расстоянии между электродами в 0,005 мм Е_пр возрастает до 70 кВ/мм (при 50 Гц).

Особое практическое значение имеет зависимость электрической прочности газов от давления (рис 19).

Рис.19. Зависимость Е_пр газа от давления

Как отмечалось, энергия, накопленная электроном при движении в электрическом поле и необходимая для развития ударной и фотонной ионизации, зависит от средней длины свободного пробега носителя λи определяется плотностью газа. Прибольшом давлении и, соответственно, повышенной плотности газа расстояние между отдельными атомами (молекулами) сокращается, т.е. уменьшается λ.

Поэтому энергию, необходимую для ионизации, электрон приобретает при более высокой напряженности поля. При уменьшении давления вначале наблюдается снижение электрической прочности газа, так как облегчаются условия лавинообразования (растетλ). Когда же разряжение достигнет высокой степени (глубокий вакуум), электрическая прочность начинает снова возрастать, что объясняется уменьшением числа атомов (молекул) газа в единице объема и, следовательно, снижением вероятности столкновения электронов с нейтральными частицами. В этих условиях пробой может произойти вследствие вырывания электронов из поверхности электрода силой электрического поля (холодная эмиссия). Электрическая прочность вакуума имеет достаточно высокие значения.

Пробой жидких диэлектриков.Процессы, происходящие в жидкостях при пробое, сложны и зависят, главным образом, от их химического состава и степени чистоты. К максимально чистым жидкостям применяют теорию чисто электрического пробоя. В этом случае при высоких значениях электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов с последующим развитием ударной ионизации. В нормальных условиях электрическая прочность чистых жидких диэлектриков существенно превосходит электрическую прочность газов вследствие более высокой плотности и, соответственно, значительно меньшей длины свободного пробега электронов. Для таких жидкостей в лабораторных условиях получены значения Е_пр = (50-70) кВ/мм, а при малых зазорах – (150-250) кВ/мм. Технически чистые жидкости имеют Е_пр = (20-25) кВ/мм. В них постоянно присутствуют растворенные и нерастворенные примеси, которые подразделяют на естественные (вода, газы, твердые частицы и пр.) и искусственные, т.е. преднамеренно внесенные в жидкий диэлектрик при его производстве (например, антиокислители, сорбенты и т.д.).

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который, в конечном счете, приводит к вскипанию жидкого диэлектрика и образованию газового канала между электродами.

Изоляционные жидкости часто содержат воду, которая, не смешиваясь с жидким диэлектриком, присутствует в нем в виде мелких капель. Под воздействием электрического поля капли воды (сильно полярного вещества) поляризуются, приобретая форму эллипсоидов, и ориентируются по полю, образуют цепочку с повышенной проводимостью, по которой и происходит пробой. Содержание даже 0,01% воды в электроизоляционном масле снижает его Е_пр в 5–6 раз. Поэтому при использовании жидких диэлектриков их подвергают тщательной термо-вакуумной сушке и дегазации.

К жидкостям, имеющим высокую электропроводность, применима теория теплового пробоя. После приложения электрического поля такой жидкий диэлектрик разогревается за счет диэлектрических потерь. С ростом температуры его удельное объемное сопротивление снижается, что приводит к дальнейшему возрастанию сквозного тока и, соответственно, стимулирует непрерывный рост температуры вплоть до вскипания изоляционной жидкости и последующего пробоя.

Электрическая прочность технических жидких диэлектриков имеет тенденцию к снижению по мере увеличения их полярности и соответствующего возрастания способности к диссоциации. Электрическая прочность чистых масел снижается с ростом температуры из-за увеличения длины свободного пробега электронов вследствие уменьшения плотности жидкости. Однако в жидких диэлектриках, содержащих воду, с ростом температуры происходит сушка, поэтому электрическая прочность увеличивается, образуя характерный максимум примерно при 80 ^оС.

Необходимо учитывать, что по мере увеличения числа пробоев в одном и том же объеме жидкости наблюдается снижение Е_пр вследствие образования продуктов ее разрушения, в частности, сажи в случае углеродсодержащих жидкостей. Поэтому для обеспечения удовлетворительной воспроизводимости результатов необходимо после каждого пробоя менять пробы испытуемого жидкого диэлектрика, а также ограничивать величину тока и время его протекания.

Пробой твердых диэлектриков. Различают три основных формы пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой (тепловой) и электрохимический.

Электрический пробой чаще всего имеет место при кратковременном воздействии напряжения (в частности, импульсного характера), а механизм его развития определяется степенью однородности диэлектрика

Физическая сущность электрического пробоя высокооднородных, не содержащих газовые включения твердых диэлектриков, к которым относятся монокристаллы щелочногалоидных соединений, вакуумплотная керамика, кварцевое стекло, органические пленки из полистирола и фторопласта-4 и др., – практически мгновенно развивающаяся ударная ионизация с непосредственным разрушением структуры изоляционного материала. Для этого механизма пробоя характерна заметная разница значений пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрических полях. Электрическая прочность высокооднородных изоляционных материалов наиболее высока (достигает нескольких сотен кВ/мм) и слабо зависит от температуры и частоты приложенного поля.

Электрический пробой неоднородных (технических) твердых диэлектриков с открытой пористостью (пористая керамика, непропитанная бумага, мрамор и пр.) также отличается быстротечностью и начинается с пробоя воздушных включений. Пробивные напряжения неоднородных материалов, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга в однородном и неоднородном полях. Электрическая прочность диэлектриков с открытой пористостью сравнима с Е_пр воздуха и составляет (3–5) кВ/мм. Электрическая прочность твердых диэлектриков сзакрытой пористостью на порядок выше и составляет (10–30) кВ/мм.

Уплотнение бумаги способствует некоторому увеличению ее пробивных характеристик. Однако в целлюлозных материалах всегда присутствуют сквозные воздушные каналы: механическая нагрузка, необходимая для преобразования открытой пористости в закрытую, приводит к морфологическим нарушениям в диэлектрике в процессе его производства. Поэтому для повышения электрической прочности бумажной изоляции применяется ее термо-вакуумная сушка и пропитка, т.е. замена воздуха электрически более прочными диэлектрическими жидкостями. При этом Е_пр пропитанной бумаги более высока, чем Е_пр непосредственно жидкого диэлектрика, так как волокнистая структура целлюлозной основы осложняет формирование канала пробоя.

В большинстве случаев при увеличении толщины твердого диэлектрического материала его электрическая прочность снижается вследствие возрастания дефектности. Однако и при переходе к особо тонким слоям (лаковые пленки, напыленные диэлектрики и пр.) Е_пр падает из-за неизбежного влияния неоднородностей структуры.

Электротепловой (тепловой) пробой развивается в том случае, когда количество тепла, выделяющееся в диэлектрике в единицу времени за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может отводиться в данных условиях в окружающую среду. При этом нарушается тепловое равновесие (тепловой баланс) и, как следствие, инициируется термостарение изоляционного материала, приводящее к дальнейшему снижению его диэлектрических свойств. Процесс приобретает лавинообразный характер, а в диэлектрике происходят необратимые морфологические изменения: расплавление, растрескивание, обугливание и т.д. Если за время приложения напряжения твердый диэлектрик с тепловым механизмом пробоя не успевает прогреться, то пробоя не будет, т.е. тепловой пробой развивается длительно и может быть вызван местным перегревом материала вследствие локального увеличения диэлектрических потерь или ухудшения условий теплоотвода. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды, как правило, имеет место для кабелей, вмонтированных в стену вводов. Условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности таковы, что теплоотвод обуславливается конвекцией воздуха. Поэтому при тепловом механизме пробоя электрическая прочность твердых диэлектриков существенно зависит от условий их эксплуатации и снижается с ростом температуры окружающей среды и частоты поля (способствующих увеличению диэлектрических потерь изоляционного материала).

В случае длительных испытаний пробой в твердых диэлектриках обеспечивается не только термостарением, но и параллельно развивающимися процессами электрического старения. При этом в органических диэлектриках разрушение материала происходит под действием частичных разрядов в газовых порах и прослойках как в толще изоляции, так и на границе с электродом. В неорганических диэлектриках развиваются сложные электронно-ионные процессы, приводящие к появлению дополнительных дефектов и росту тока проводимости, а, следовательно, и к увеличению диэлектрических потерь материала.

Электрохимический пробой происходит в результате сложных физико- химических процессов (электрохимическое старение), обусловленных длительным воздействием электрического поля и приводящих к необратимому снижению сопротивления изоляции. При переменном напряжении низких частот в диэлектрике происходит ионизация остаточных воздушных включений вследствие развития частичных разрядов. Ионизация связана с выделением озона и окислов азота, вызывающих постепенное химическое разрушение органического диэлектрика. При постоянном напряжении электрохимическое старение обусловлено электролитическими процессами, протекающими особо интенсивно при повышенных температуре и влажности. Данный вид пробоя свойственен не только органическим материалам (пропитанная бумага, резина и пр.), но и некоторым неорганическим диэлектрикам, например, керамике, содержащей диоксид титана.

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место в одном и том же диэлектрике в зависимости от его макроструктуры, геометрии, а также условий эксплуатации. Наиболее сложными процессами обусловлен пробой композиционных и неоднородных материалов: пористой керамики, бумажно-масляной, стекловолокнистой, слюдосодержащей изоляции и др.

Рис.20. Обобщенная зависимость U_пр

от времени

В общем случае формы пробоя твердых электроизоляционных материалов можно проиллюстрировать обобщенной зависимостью U_пр от времени приложения напряжения (t) (рис. 20), имеющей три участка, соответствующих электрическому (I), электротепловому (II) и электрохимическому старению (III).