Электрическая прочность диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Напряженность электрического поля, при которой электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением U_пр, соответствующее значение напряженности поля – пробивной напряженностью E_пр или пробивной прочностью (электрической прочностью):

где h – толщина диэлектрика.

Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.

Различают два вида пробоя твердого диэлектрика: электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с первоначальных положений, что приводит к пробою.

Рассмотрим явление теплового пробоя.

Как известно, при работе диэлектрика в переменном электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала. Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому подобное).

Пробой газообразных диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного диэлектрика.

В однородном электрическом поле (между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений, возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают волнистой.

На пробивную прочность жидких диэлектриков в сильной степени оказывают влияние влага, газы, механические и химические примеси. Пробой жидких диэлектриков возникнет в результате перегрева жидкости и разрушения ее молекул.

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Электрическая прочность материалов

Источник

Твердых диэлектриков

Влияние различных факторов на электрическую прочность

Электрическая прочность твердых диэлектриков

В зависимости от времени выдержки под напряжением и температуры пробой может носить электрический, тепловой или электрохимический характер. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ приведена на рис. 22.10. Как видно, E_пртвердых диэлектриков при различных видах пробоя на порядок выше, чем E_пр жидких диэлектриков.

Рис. 22.10. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ

Влияние природы диэлектриков

На величину Е_пр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловом пробое Е_пр диэлектрика тем ниже, чем больше значения его ε и tgδ и меньше удельное сопротивление ρ_v (см. формулы 10 и 11).

Электрическая прочность полимерных диэлектриков уменьшается в ряду: неполярные полимеризационные полимеры, полярные полимеризационные полимеры, поликонденсационные полимеры.

Диэлектрики ионного строения в порядке уменьшения Е_пр могут быть расположены в следующей последовательности: кристаллические с плотной упаковкой ионов, кристаллические с неплотной упаковкой ионов, аморфные.

С увеличением температуры Е_пр изменяется с характерным изломом (рис. 22.11). При низких температурах Е_пр не зависит от температуры, здесь пробой носит электрический характер. Выше критической температуры T_кр происходит резкой снижение Е_пр и отсюда начинается развитие теплового пробоя.

Для диэлектриков ионного строения (керамика, стекло и др.) излом на кривой Е_пр = f(T) обусловлен увеличением интенсивности ионно-релаксационной поляризации при тепловым расширении вещества.

При увеличении температуры окружающей среды T₀ Е_пр диэлектрика уменьшается в соответствии с выражениями (10) и (11).

.

Рис. 22.11. Зависимость электрической прочности Е_пр твердых диэлектриков от температуры Т

Влияние толщины диэлектрика

С увеличением толщины диэлектрика h его электрическая прочность уменьшается (рис. 22.12).

.

Рис.22.12. Зависимость электрической прочности Е_пр твердых диэлектриков от толщины h

Влияние пористости диэлектрика

Наличие в диэлектрике пор, микротрещин, инородных включений и т.п., имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости ε, отличную от ε самого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В результате на локальных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля, и пробой наступает при более низком напряжении. Электрическая прочность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Е_пр воздуха. Поэтому для увеличения Е_пр пористых диэлектриков их пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляционными лаками или компаундами.

Влияние площади электродов

Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов. Это объясняется тем, что с увеличением площади электродов возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест диэлектрика.

Влияние числа слоев изоляции

Электрическая прочность многослойной изоляции имеет экстремальную зависимость от числа слоев (рис. 22.13). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, высыхающих лаков) имеет невысокую Е_пр, если размер неоднородностей (например, пор) соизмерим с толщиной изоляции. При использовании двух-трех слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. При дальнейшем увеличении числа слоев изоляции Е_пр снижается ввиду ухудшения отвода тепла.

Рис.22.13. Зависимость Е_пр тонкослойной изоляции от числа слоев

Влияние частоты напряжения

В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Е_пр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возрастающих диэлектрических потерь в соответствии с выражением (6).

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

Источник

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 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

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.

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.

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:

Источник

Твердые диэлектрики

Характеристика, виды, строение и применение диэлектриков; происхождение, электрические, теплофизические и механические свойства. Диэлектрическая проницаемость и механизмы поляризации полимерных, слюдяных материалов, электротехнического фарфора, картона.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.1 Полимерные материалы

2.2 Эпоксидные полимеры

2.3 Бумага и картон

2.4 Материалы для изоляторов

2.5 Электротехнический фарфор

2.6 Слюдяные материалы

По строению диэлектрики делятся на волокнистые, кристаллические и аморфные. По исходному состоянию при производстве изоляции отдельную подгруппу составляют твердеющие материалы.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность 300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность в 4 и более раз.

диэлектрический теплофизический механический поляризация

Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны:

В зависимости от типа этих радикалов меняются свойства кремнийорганической резины. Иногда в основной цепи чередуются не только кремний и кислород, но и бор, углерод, азот. Получают кремнийорганическую резину из исходного каучука с помощью вулканизации, т.е. сшивки в пространственные комплексы исходных молекул. При этом химическая связь возникает либо по концевым H и OH группам, либо по радикалам. Реакция протекает за счет радиационного облучения, либо за счет химических агентов при повышенной температуре. Как правило, с завода-изготовителя поступает готовая к вулканизации масса.

2.5 Электротехнический фарфор

Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов.

Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов. По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия, натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно загустевшую жидкость вследствие переохлаждения. Обычное, щелочное стекло непригодно для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное стекло. К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.

Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в т.ч. склееных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Слюдяная бумага производится по технологии, близкой к технологии обычной бумаги. Слюду размельчают, готовят пульпу, на бумагоделательных машинах раскатывают листы бумаги.

Слюдиниты — листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани, или полимерной пленки. Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие диэлектрической проницаемости как количественной оценки степени поляризации диэлектриков. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от радиуса его молекул и их числа в единице объема, жидких неполярных диэлектриков от температуры и частоты.

презентация [870,1 K], добавлен 28.07.2013

Электрические, тепловые, влажностные и химические свойства диэлектриков. Поляризация мгновенная и протекающая замедленно. Дипольно-релаксационная поляризации. Общее понятие о доменах, сопротивление изоляции. Классификация диэлектриков по виду поляризации.

презентация [964,7 K], добавлен 28.07.2013

Особенности газообразных и жидких, органических полимерных, слоистых диэлектриков, композиционных порошковых пластмасс, электроизоляционных лаков и компаундов, неорганических стекол и ситаллов, керамики. Их электрические свойства, область применения.

контрольная работа [24,5 K], добавлен 29.08.2010

Сверхпроводники и возможности их применения в электротехнике. Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Нагревостойкость твердых и жидких диэлектриков.

реферат [968,8 K], добавлен 12.02.2013

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, их виды: газообразные, жидкие, твердые. Электропроводность диэлектриков; ее зависимость от строения, температуры, напряженности поля. Факторы, влияющие на рост диэлектрической проницаемости.

презентация [1,4 M], добавлен 28.07.2013

Источник