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).

Описание измерительной установки

Упрощенная схема измерительной установки для определения электрической прочности диэлектриков на представлена на рис. 21.

Рис.21. Схема установки для определения Е_пр диэлектриков

Схема установки включает в себя следующие элементы:

Q - пакетный выключатель, FU – предохранитель, QK - контакты на двери высоковольтной камеры, EL₁ - сигнальную лампу на высоковольтной камере; L - автотрансформатор для регулировки напряжения, KM₃ – контакты магнитного пускателя, TV – высоковольтный трансформатор, SA - контакты на автотрансформаторе, фиксирующие нулевое положение движка; КМ - катушка магнитного пускателя; КМ₁ и КМ₂ - контакты магнитного пускателя; EL₂ – сигнальная лампа «напряжение подано» на контакты реле тока КА₁ и КА₂, EL₃ - сигнальная лампа «Пробой», V – вольтметр переменного напряжения, М – электродвигатель со схемой управления Т – выключатель электропитания установки, КА – реле тока.

В начальный момент времени движок автотрансформатора выведен и напряжение на входе и выходе высоковольтного трансформатора равно нулю. После запуска электродвигателя напряжение на входе TV начинает возрастать по линейному закону, а вольтметр V показывает его величину. Рост напряжения будет происходить до тех пор, пока не произойдет пробой испытуемого образца в высоковольтной цепи TV. При этом ток пробоя приводит к резкому увеличению тока в первичной цепи высоковольтного трансформатора, это вызывает срабатывание реле тока, контакты которого отключают напряжение в высоковольтной цепи и возвращают движок автотрансформатора в исходное «нулевое» положение. После выполненного испытания необходимо механически вернуть реле тока в исходное положение.

Порядок выполнения работы

Подготовка к работе. При подготовке к работе следует изучить лабораторную установку, последовательность операций при ее включении и отключении (“Техника эксперимента”), а также инструкцию “Техника безопасности” для лиц, работающих с высоким напряжением.

После собеседования с преподавателем и получения допуска к работе, что подтверждаетсяподписью в журнале по технике безопасности, можно приступить к проведению эксперимента.

ВКЛЮЧЕНИЕ УСТАНОВКИ И РАЗЛИЧНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЬ ТОЛЬКО С РАЗРЕШЕНИЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ!

Проведение эксперимента.

Определение коэффициента передачи.Для определения коэффициента передачи (К) испытательной установки необходимо произвести градуировочные измерения и рассчитать величину коэффициента передачи:

К = U₂ / U₁,где U₁ – напряжение, измеряемое вольтметром V в первичной цепи высоковольтного трансформатора, при котором пробивается определенная величина зазора между шаровыми разрядниками, присоединенными к вторичной обмотке трансформатора; U₂ – истинное напряжение пробоя шарового разрядника, соответствующее данному зазору. Величины U₂ предварительно определяются с помощью специального вольтметра высокого напряжения. В настоящей работе использован шаровой разрядник с диаметром шаров 6,25 см (при этом известно, что электрическая прочность воздуха в однородном поле относительно постоянна и хорошо изучена для комнатных условий измерения). Значения пробивного напряжения воздуха (U₂) для указанных шаров при различном расстоянии между ними (h) приведены в табл. 7.

Т а б л и ц а 7.

h, мм
U2, кВ	3,29	5,70	7,96	10,21	12,38	14,55	16,70	18,70	20,78	22,70

П р и м е ч а н и е: в табл. 10 даны эффективные значения пробивных напряжений воздуха между сферами диаметром 6,25 см.

Пробой газов.

Определение электрической прочности воздуха в квазиоднородном поле.

Градуировка измерительной схемы по шаровому разряднику.

1. Убедиться, что пакетный выключатель ПВ и тумблер Т выключены.

2. Установить оси шаровых электродов на единой вертикали.

3. Вращением регулятора нониусного устройства установить шкалу на нулевое деление.

4. Сблизить электроды до соприкосновения между собой и закрепить нижний электрод.

5. Присоединить к шарам разрядника вывод от высоковольтного трансформатора и нулевой провод.

6. С помощью нониуса установить зазор между электродами h = 1 мм.

7. Согласно разделу “Техника эксперимента” произвести пробой воздуха. По шкале вольтметра измерить величину напряжения U₁. Опыт провести при зазорах от 1 до 7 мм (через каждый мм).

8. Полученные результаты занести в табл.8.

Т а б л и ц а 8.

Измеренные величины	Табличные значения	Расчетные величины
	h, мм	U1, В	U2, кВ	К	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм

Здесь: U₁ – отсчет по шкале вольтметра; U₂ – пробивное напряжение заданного зазора h между сферами, взятое из табл. 10; К – коэффициент передачи (К=U₂/U₁); U_пр – пробивное напряжение воздушного зазора h, рассчитанное по формуле U_пр=К_срU₁; Е_пр – электрическая прочность воздуха, рассчитанная по формуле Е_пр=U_пр/h.

Определение электрической прочности воздуха в неоднородном поле.

1. Убедиться, что пакетный выключатель ПВ и тумблер Т выключены.

2. Для получения неоднородного поля заменить нижний сферический электрод игольчатым. Выставить соосность этих электродов по вертикали.

3. Произвести пробой воздуха в неоднородном поле при зазорах (h) от 1 до 7 мм (через каждый мм).

4. Полученные результаты занести в табл. 9.

Т а б л и ц а 9.

Измеренные величины	Расчетные величины
h, мм	U1, В	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм

Здесь: U₁ – отсчет по вольтметру; U_пр – пробивное напряжение;

Е_пр – электрическая прочность воздуха.

По результатам эксперимента:

1. Рассчитать значения К, К_ср,U_пр и Е_пр при пробое в квазиоднородном электрическом поле.

2. Рассчитать значения U_пр и Е_пр при пробое в неоднородном поле.

3. Построить графики зависимостей U_пр=f(h) и Е_пр=f(h) для различных форм поля.

4. Проанализировать влияние формы поля и расстояния между электродами (h) на электрическую прочность воздуха, объяснив полученные результаты.

Пробой жидких диэлектриков

1. Убедиться, что пакетный выключатель ПВ и тумблер Т выключены.

2. Записать марку и свойства испытуемой жидкости в таблицу.

3. Записать величину разрядного промежутка (h) между электродами испытательной ячейки, заполненной изоляционной жидкостью.

4. Присоединить к электродам испытательной ячейки вывод от высоковольтного трансформатора и нулевой провод.

5. Произвести пробой жидкости, наблюдая за появлением электрической искры через прозрачную стенку ячейки. Записать значение напряжения U₁ (отсчет по вольтметру) в табл. 10.

Т а б л и ц а 10.

Наименование жидкость	№ опыта	h, мм	U1, В	Uпр, кВ
. . . .

6. При неизменном расстоянии между электродами повторить пробой 6 раз. После каждого пробоя сделать выдержку около 2 минут, удалив из разрядного промежутка пузырьки газа и продукты сгорания масла при помощи легкого покачивания ячейки.

По результатам эксперимента:

1. Рассчитать значения U_пр=К_срU₁.

2. Провести статистическую обработку результатов эксперимента. Для этого отбросить максимальное и минимальное значения U_пр, а для оставшихся четырех точек рассчитать и среднеквадратическое отклонение S_U, используя которые, рассчитать и S_Е.

3. Проанализировать и объяснить полученные результаты. Сравнить электрическую прочность газа (воздуха) и электроизоляционного масла.

Пробой твердых диэлектриков.

1. Убедиться, что пакетный выключатель Q и тумблер Т выключены.

2. Присоединить к ячейке с плоским электродам вывод высоковольтного трансформатора и нулевой провод.

3. Поместить исследуемый образец (по указанию преподавателя) между электродами и осуществить пробой.

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

1. Определить пробивное напряжение твердых органических диэлектриков (конденсаторной целлюлозной бумаги и полимерной пленки) по результатам 10 измерений U₁ для каждого материала.

2. Провести статистическую обработку результатов эксперимента, рассчитав значения: U_пр, Е_пр, , К_вар и доверительные границы Е_пр каждого материала при доверительной вероятности 95%. Измеренные и расчетные величины записать в табл. 11.

Таблица 11.

Наименование материала
№ опыта	h, мм	U1, В	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм

Внизу таблицы привести значения рассчитанных величин:

= S = К_вар = DЕ_пр =

3. Проанализировать влияние структуры на электрическую прочность твердых диэлектриков, сравнив характеристики пленки и бумаги. Объяснить полученные результаты.

Б. Исследование влияния пропитки на электрическую прочность целлюлозных материалов.

1. Определить пробивное напряжение сухой и пропитанной электроизоляционным маслом кабельной бумаги по результатам 10 измерений U₁ для каждого материала.

2. Провести статистическую обработку результатов эксперимента, рассчитав значения: U_пр, Е_пр, Е_ср, К_вар и доверительные границы Е_пр каждого материала при доверительной вероятности 95%.

Измеренные и расчетные величины записать в табл. 12.

Т а б л и ц а 12.

Наименование материала
№ опыта	h, мм	U1, В	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм

= S = К_вар = DЕ_пр =

3. Проанализировать влияние пропитки на электрическую прочность целлюлозных материалов, сравнив значения Е_пр сухой и пропитанной кабельной бумаги.

4. Проанализировать влияние толщины на электрическую прочность твердых диэлектриков, сравнив значения Е_пр непропитанных конденсаторной (эксперимент А) и кабельной (эксперимент Б) бумаги. Объяснить полученные результаты.

В. Исследование влияния числа слоев на электрическую прочность твердых диэлектриков.

1. Определить пробивное напряжение от 1 до 13 слоев сухой конденсаторной бумаги (толщина одного слоя бумаги: h = 10 мкм). Записать измеренные (U₁) и расчетные (толщина n слоев, U_пр, Е_пр) значения характеристик целлюлозного материала в табл. 13.

Т а б л и ц а 13.

Число слоев, n	Толщина n слоев, мм	U1, В	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм
. . . . .

2. Построить зависимости U_пр=f(n) и Е_пр=f(n).

3. Объяснить полученные результаты.

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Расчетные формулы, использованные при вычислении К,К_ср,U_пр и Е_пр

4. Примеры численных расчетов.

5. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

6. Графики зависимостей: U_пр=f(h) и Е_пр=f(h) для различных форм поля;

U_пр=f(n) и Е_пр=f(n).

7. Статистическую обработку результатов эксперимента в тех случаях, когда это возможно.

8 . Выводы по работе, содержащие анализ результатов каждого из

проведенных экспериментов.

Контрольные вопросы

1. Каковы физические основы явления пробоя газообразных диэлектриков?

2. Каковы физические основы явления пробоя жидких диэлектриков?

3. Каковы физические основы явления пробоя твердых диэлектриков?

4. Что такое фотонная ионизация?

5. Как влияет форма и размер электродов на величину Е_пр диэлектриков?

6. Как влияет величина разрядного промежутка на Е_пр диэлектриков?

7. Как влияет структура материала на его электрическую прочность?

8. Чем вызвано различие Е_пр для разных материалов?

9. Какова методика определения электрической прочности диэлектриков?

Р а б о т а 4