3.4 Діелектричні втрати у твердих діелектриках

У зв'язку з тим, що тверді речовини мають різноманітний склад і будову, у них можливі всі види діелектричних втрат.

Діелектричні втрати в діелектриках молекулярної структури залежать від виду молекул. Діелектрики з неполярними молекулами і які не мають домішок, мають мізерно малі діелектричні втрати. До таких діелектриків відносяться поліетилен, полістирол, політетрафторетилен (фторопласт - 4), церезин та ін. Вказані діелектрики в зв'язку з малими втратами доцільно використовувати при високих частотах.

Діелектрики з полярними молекулами, для яких характерна діпольно - релаксаційна поляризація, мають великі втрати, що істотно залежать від темпе-атури. До них відносяться: поліметилметакрилат (органічне скло), папір, картон, поліаміди ( капрон та ін.), поліуретан, бакеліт, каучукові матеріали й ін. Крива залежності від температури для паперу показана на рис.3.6.

0,02

10кгц

0,01 1кгц

0 Т

-40 0 40 80 ^оС

Рис.3.6 - Залежність для паперу

Зростання після переходу через мінімум пов'язано зі збільшенням втрат від електропровідності.

Діелектричні втрати у твердих речовинах з іонною структурою залежать від особливостей розташування іонів у гратках. У речовинах з кристалічною структурою з щільним упакуванням іонів діелектричні втрати при відсутності домішок незначні. Наявність домішок, які приводять до зміни кристалічних граток, призводить до різкого збільшення діелектричних втрат. При високих температурах у цих діелектриках з'являються втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Ці речовини знайшли широке застосування при виробництві електротехнічної кераміки, наприклад, корунду (Al₂O₃).

Для кристалічних діелектриків з нещільним упакуванням іонів характерна релаксаційна поляризація, що викликає збільшення діелектричних втрат. При підвищенні температури число іонів, які беруть участь у релаксаційній поляризації, постійно зростає, внаслідок чого в залежності відсутній максимум. Застосовуються ці матеріали в основному при виробництві ізоляторного фарфору, вогнестійкої кераміки. Прикладом таких речовин служать циркон (компонент вогнестійкої кераміки), муліт (компонент ізоляторного фарфору), - глинозем та ін.

Діелектричні втрати в аморфних речовинах з іонною структурою мають характерні риси. Прикладом їх є неорганічні стекла. Внаслідок локальних неоднорідностей структури скла релаксаційні втрати характеризуються широким набором часу релаксації. Це приводить до розширення і деякого згладжування максимумів у температурній і частотній залежності тангенса кута діелектричних утрат. На величину діелектричних втрат у даних речовинах істотно впливають будь-які порушення структури (відпал, загартування, введення добавок і т.д.). Крім втрат, обумовлених поляризацією, у стеклах можуть виникати втрати, пов'язані з електропровідністю, що викликається пересуванням слабкосвязанних іонів. Виявляються вони, як правило, при температурах 50-100 ^оС.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках вище, ніж у звичайних діелектриках. Вони мало змінюються при зміні температури в області мимовільної поляризації і різко зменшуються при температурі вище точки Кюрі, коли мимовільна поляризація зникає.

До твердих речовин неоднорідної структури належать матеріали, до складу яких входить не менше двох компонентів. Характерним представником таких діелектриків є кераміка. У складі кераміки розрізняють кристалічну, склоподібну і газову фази. Кількісне співвідношення між кристалічною і склоподібною фазами фактично і визначає діелектричні втрати в кераміці. Наявність газової фази призводить до збільшення діелектричних втрат у кераміці, коли при високих напруженостях поля виникає іонізація.

Діелектричні втрати в просоченому папері залежать від електричних властивостей її компонентів ( волокон целюлози і складу, що просочує), а також від наявності повітряних включень. Залежність від температури для паперу, просоченого маслоканіфольним компаундом, наведена на рис.3.7.

Перший максимум при негативних температурах пов'язаний з діпольно-релаксаційними втратами в целюлозі, а другий - з діпольно-релаксаційними втратами в компаунді, що просочує.

До неоднорідних діелектриків відносяться також широко застосовувані в електроізоляційній техніці різні пластмаси з наповнювачами, слюдяні вироби (міканіти, мікалекси), каучукові вироби з наповнювачами і т.д.



Рис.3.7 - Залежність від температури для папера, просоченого маслоканіфольним компаундом

Розглянемо зміну активних втрат у діелектрику від зовнішніх факторів на конкретному прикладі.

Задача. При кімнатній температурі тангенс кута діелектричних втрат ультра-фарфору , при зростанні температури до 100 ⁰С він збільшується в два рази. Чому дорівнює цього матеріалу при температурі 200 ⁰С?. У скільки разів збільшиться активна потужність, що виділяється у високочастотному прохідному ізоляторі з цього матеріалу, при зміні температури від 20 до 200 ^оС? Зміною діелектричної проникності кераміки можна знехтувати. Втрати в ультрафарфорі обумовлені наскрізною електропровідністю, тому тангенс кута діелектричних утрат збільшується з температурою за експонентним законом

,

де ₀ - значення при Т₀=20 ⁰С; - температурний коефіцієнт , що може бути знайдений з виразу

.

Тоді ₂₀₀ = 2,38*10^-3.

У зв'язку з тим, що активна потужність в ізоляторі Р_а росте з температурою пропорційно , запишемо

Література: [1 с.43 -57.]

Контрольні запитання:

1.Опишіть процеси, що обумовлюють діелектричні втрати в діелектриках.

2.Перелічіть параметри, що характеризують діелектричні втрати в матеріалах.

3.Наведіть схеми заміщення діелектрика з втратами, вкажіть умови їхньої еквівалентності. Побудуйте векторні діаграми для кожної схеми.

4. Опишіть види діелектричних втрат, дайте їм коротку характеристику.

5. Вкажіть фактори , що впливають на величину діелектричних втрат.

6. Дайте характеристику діелектричних втрат у газах.

7.Дайте характеристику діелектричних втрат у рідких діелектриках.

8. Дайте характеристику діелектричних втрат у твердих діелектриках.

4. Пробій діелектриків

При перевищенні прикладеної до діелектрика напруги вище деякого критичного значення ізоляційні властивості порушуються і відбувається утворення провідного каналу. При цьому струм витоку через діелектрик різко зростає, а опір відповідно зменшується. Явище утворення в діелектрику провідного каналу під дією електричного поля називається пробоєм. Залежність струму від прикладеної напруги показана на рис.4.1.

I

A

U

U_пр

Рис.4.1 - Вольт-амперна характеристика електричної ізоляції

Точка А, для якої dI/dU = ?, відповідає пробою. Значення напруги, при якому відбувається пробій, називається пробивною напругою U_пр, а відповідне значення напруженості електричного поля - електричною міцністю Е_пр. Для найпростішого випадку однорідного електричного поля в діелектрику Е_пр =

U_пр/ h, де h - товщина діелектрика. У більшості випадків при збільшенні h значення Е_пр зменшується нелінійно.

Електрична міцність високоякісних твердих діелектриків, як правило, ви-ще рідких і тим більше газоподібних діелектриків. Однак газоподібні й рідкі діелектрики, на відміну від твердих, після пробою можуть через деякий проміжок часу відновити свої властивості при відсутності напруги.

Для надійної роботи будь-якого електротехнічного пристрою робоча напруга його ізоляції повинна бути значно менше пробивної напруги.

Фізична сутність розвитку пробою різна. Розрізняють наступні види пробою: чисто електричний, електротепловий, електромеханічний, електрохімічний, іонізаційний.

Чисто електричний пробій являє собою безпосереднє руйнування структури діелектрика силами електричного поля, що впливають на електрично заряджені частки в діелектрику. Цей вид пробою розвивається практично миттєво. Якщо одразу після додавання напруги не відбувся електричний пробій, то теоретично цю напругу діелектрик повинен витримувати тривалий час. Це положення не відноситься до пробою діелектрика короткочасними імпульсами.

Електротепловий пробій пов'язаний з нагріванням діелектрика в електричному полі в результаті діелектричних втрат. Процес нагрівання діелектрика протікає, постійно підсилюючись. Це приводить до істотної зміни структури діелектрика (розплавлювання, обвуглювання, розтріскування) і зменшенню його електричної міцності. При цьому достатньо, щоб розігрілося яке-небудь місце діелектрика, в якому тепловіддача гірше або підвищені питомі втрати, а середня температура всього діелектрика може практично не відрізнятися від первісної. При гарному тепловідводі може наступити рівновага між теплом, що виділяється в діелектрику, і його відводом у навколишнє середовище. У цьому разі діелектрик може тривалий час працювати під напругою. Якщо відведення тепла утруднене, то навіть незначна напруга, прикладена до діелектрика, через якийсь час може викликати пробій. При електротепловому пробої U_пр залежить як від частоти прикладеної напруги, так і від температури навколишнього середовища, зменшуючись при їхньому збільшенні.

Електромеханічний пробій виникає в результаті механічного руйнування діелектрика (утворення макроскопічних тріщин) силами електричного поля. У ряді випадків механічні руйнування в діелектриках виникають у результаті тиску електродів.

Електрохімічний пробій - це вид пробою, який повільно розвивається і пов'язаний з хімічною зміною матеріалу в електричному полі. Цей вид пробою спостерігається як при постійній, так і при змінній напрузі внаслідок розвитку в матеріалах електролітичних процесів.

Іонізаційний пробій пояснюється дією на діелектрик хімічно агресивних речовин, що утворюються в газових порах діелектрика при часткових розрядах, а також ерозією діелектрика на межі пор іонами газу.

4.1 Пробій газів

Повітря є найпоширенішим ізоляційним середовищем, що використовується в різних електротехнічних системах. Пробій повітря та інших газів слід розглядати як наслідок розвитку процесів ударної іонізації і фотоіонізації.

При впливі поля позитивні й негативні іони й електрони, що містяться в газі та знаходяться в безладному тепловому русі, починають переміщуватися в напрямку поля. При цьому вони одержують додаткову енергію W = q U _, де q - заряд, U -різниця потенціалів на довжині вільного пробігу.

При однорідному полі можна вважати, що U = Е l, де Е - напруженість поля, l - довжина вільного пробігу зарядженої частки. Тоді

W = q E l . (4.1)

Ця енергія віддається атомам чи молекулам газу в момент зіткнення. Якщо ця енергія досить велика, то при зіткненні відбувається збудження атомів або молекул і навіть іонізація молекул. Енергію іонізації звичайно характеризують іонізаційним потенціалом U_и =W_и / q. Іонізаційний потенціал різних газів знаходиться в межах від 4 до 25В, що відповідає енергії іонізації від 4 до 25еВ.(табл.4.1)

Таблиця 4.1. Іонізаційний потенціал деяких газів

Газ	H2	N2	O2	Cl2	Xe	Kr	Ar	He
Потенціал іонізації, В	15,4	15,6	12,1	11,5	12,1	14	15,8	24,6

Швидкість і відповідно енергія електронів, яку вони здобувають при русі в електричному полі, визначаються в основному характером їхніх зіткнень з молекулами й атомами даного газу. Якщо електрони в газі при зіткненні з молекулами чи атомами випробують відносно велике число не пружних зіткнень, що характерно для складних молекул газу, то для досягнення ними енергії, необхідної для іонізації, потрібна велика напруженість електричного поля. Електрична міцність такого газу буде високою. Тому часто газу з малим іонізаційним потенціалом відповідає велика електрична міцність і навпаки. Так, одноатомні гази Ne, He, хоча і володіють високим іонізаційним потенціалом, але мають низьку електричну міцність. Зіткнення позитивних і негативних іонів з частками газу навіть при енергіях порядку тисячі електрон-вольт не приводить до іонізації газу. Пояснюється це тим, що:

-електрони мають у 100-1000 разів більшу рухливість, ніж іони;

-електрони мають на порядок більшу довжину вільного пробігу, ніж іони;

-енергія, передана іоном периферичному електрону нейтральної частки мала, тому умови для відщеплення електрона несприятливі.

У той же час, позитивні іони можуть вивільняти електрони з металу, бомбардуючи поверхню катода.

У ряді випадків електрон, розігнаний електричним полем, не іонізує молекулу, а переводить її в збуджений стан. При переході в урівноважений стан ця молекула віддає свою надлишкову енергію у вигляді випромінювання - випускає фотон. Якщо цей фотон буде поглинутий якою-небудь молекулою, то це може привести до її іонізації. Швидкість руху фотона більша, ніж швидкість руху електронної лавини. Вона складає 3 *10⁸ м/с. Фотони обганяють електронну лавину й іонізують частки газу попереду основної лавини. Звільнені при цьому електрони породжують нові лавини далеко перед першою. У наступних стадіях окремі лавини, наганяючи одна одну, утворюють суцільний канал іонізованого газу з підвищеною провідністю, який називається стрімером.

Одночасно з ростом стрімера, спрямованого від катода до анода, починається утворення зустрічного лавинного потоку позитивно заряджених часток, спрямованого до катода. Утворюється розрядний канал у вигляді плазми з надлишковим позитивним зарядом.

Під впливом ударів позитивних іонів на катоді утворюється катодна пляма, що випромінює електрони.

У результаті зазначених процесів і виникає пробій газу. Чим більше прикладена напруга до газового проміжку, тим швидше відбувається пробій.

Якщо напруга подається у вигляді імпульсу, то чим менше тривалість імпульсу, тим більше пробивна напруга. Ця зміна пробивної напруги характеризується коефіцієнтом імпульсу , де - напруга пробою при імпульсній напрузі, - напруга пробою при постійній напрузі чи змінній напрузі з частотою 50 Гц.

Регламентуються дві форми випробувальних імпульсів: 1) грозовий імпульс з тривалістю переднього фронту 1,2 мкс і тривалістю імпульсу 50 мкс;

2) комутаційний імпульс з тривалістю переднього фронту імпульсу 250 мкс і тривалістю імпульсу 2500 мкс.

Грозовий імпульс умовно позначають символом 1,2/50, а комутаційний - 250/2500.

Для газових проміжків з однорідним чи слабко неоднорідним полями коефіцієнт імпульсу для стандартних імпульсів практично дорівнює одиниці. У випадку сильно неоднорідного поля в газовому проміжку коефіцієнт імпульсу залежить від полярності імпульсу, ступеня неоднорідності, довжини проміжку і для грозового імпульсу може істотно перевищувати одиницю.

4.1.1 Пробій газу в однорідному полі

Однорідне електричне поле може бути отримане між плоскими електродами із закругленими краями, а також між сферами, якщо відстань між ними не перевищує їхнього діаметра. Час розвитку пробою в однорідному полі складає 10^-7 - 10^-8с, причому величина напруги пробою залежить від температури і тиску наповнюючого газу. При нормальному тиску (0,1Мпа) і температурі 20^оС електрична міцність повітря при відстані між електродами в 1 см складає близько 3,2 МВ/м. Зі зменшенням відстані між електродами електрична міцність збільшується, що пояснюється труднощами формування розряду.

Відповідно до закону Пашена в однорідному електричному полі при незмінній температурі напруга пробою є функцією тиску наповнюючого газу і відстані між електродами Uпр = f(ph). Дана залежність наведена на рис.4.2. Мінімальне значення пробивних напруг для різних газів складає 280-420 В. Для повітря - біля 300В. При підвищенні тиску понад 100кПа відстань між молекулами зменшується, у результаті чого зменшується довжина вільного пробігу електронів і відповідно збільшується електрична міцність. Спадання напруги спостерігається при зменшенні тиску нижче атмосферного до певної величини.

U_{пр max}

_{Повітря}

H₂

ph

Рис.4.2 - Залежність U_{пр max} =f(ph) для повітря і водню

Подальше зменшення тиску приводить до зростання електричної міцності, що пояснюється зменшенням числа молекул в одиниця об'єму газу і зниженням імовірності зіткнень електронів з молекулами. При високому вакуумі електрична міцність досягає великих значень (порядку 10² МВ/м). У цьому разі на величину електричної міцності впливає матеріал і стан поверхні електродів, тому що можливе виникнення "холодної" емісії електронів з поверхні електродів.

Електрична міцність залежить від хімічного складу газу. Меншою електричною міцністю в порівнянні з повітрям володіють інертні гази, що використовуються для заповнення джерел світла і електровакуумних приладів. Високою електричною міцністю відрізняються деякі важкі гази з високою молекулярною масою. Прикладом може служити елегаз (SF₆), фреон (CCl₂F₂). Їхня електрична міцність практично в 2,5 раза вище, ніж у повітря.

4.1.2 Пробій газів у неоднорідному електричному полі

Неоднорідне електричне поле виникає між електродами: голкою і площиною, двома голками, двома сферами, при відстані між ними, що перевищує радіус сфер, проводами і т.д. Пробій газу в неоднорідному електричному полі підкоряється вже іншим закономірностям. Особливістю даного пробою є виникнення часткового розряду у вигляді корони в місцях, де напруженість електричного поля досягає критичних значень, з наступним переходом корони в іскровий розряд і дугу при зростанні напруги. При цьому в газах спостерігається ефект полярності, який полягає в тому, що величина напруги пробою залежить від полярності підведеної напруги. При рівних умовах для несиметричних електродів голка-площина пробивна напруга при позитивній полярності голки значно нижче, ніж при негативній.

Цей ефект викликаний тим, що в неоднорідному електричному полі в місці найбільшої неоднорідності, тобто поблизу голки виникають позитивні об'ємні заряди. Ці заряди створюють електричне поле, напруженість якого при позитивній полярності голки спрямована згідно з напруженістю зовнішнього електричного поля. Унаслідок цього результуюча напруженість електричного поля збільшується і пробій настає при меншій напрузі. При негативній полярності голки поле просторового позитивного заряду частково компенсує зовнішнє електричне поле, тому пробивна напруга більше.

4.2 Пробій рідких діелектриків

Рідкі діелектрики мають більш високу електричну міцність ніж гази, що обумовлено значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Теорію електричного пробою, розглянуту для газів, можна застосувати і для рідких діелектриків за умови , що вони будуть максимально очищені від домішок.

Електрична міцність технічних рідких діелектриків істотно залежить від наявності забруднень, зменшуючись у міру збільшення полярності рідини і, відповідно, зростання її дісоціюючої здатності. Різке зниження електричної міцності спостерігається при влученні в рідкий діелектрик навіть невеликої кількості води. У трансформаторній олії вода звичайно знаходиться у вигляді емульсії, тобто у вигляді дрібних зважених часток. Під впливом електричного поля частки води поляризуються і утворюють між електродами ланцюжки з підвищеною провідністю, по яких і відбувається пробій.

Досвід експлуатації рідких діелектриків свідчить, що електрична міцність істотно знижується при наявності в них волокнистих домішок. Це пов'язано з високою гігроскопічностю волокон, зволоження яких підвищує їхню діелектричну проникність. Під впливом електричного поля волокна прагнуть вишикуватися уздовж силових ліній поля , що полегшує умови пробою.

На пробій рідких діелектриків впливає форма електродів: зі збільшенням ступеня неоднорідності електричного поля пробивна напруга рідкого діелектрика зменшується.

Зміна електричної міцності спостерігається в міру збільшення числа пробоїв у тому самому об'ємі рідини, що пов'язано із забрудненням діелектрика продуктами розкладання в місці пробою.

При збільшенні температури електрична міцність чистих рідких діелектриків практично не змінюється доти, поки не починається кипіння легких масляних фракцій і утворення при цьому пухирців пару, що приводить до утворення газового містка між електродами. З цього моменту Е_пр рідкого діелектрика починає зменшуватися.

В очищених від домішок рідинах при високих значеннях напруженості електричного поля може відбуватися виривання електронів з металевих електродів і, як і у випадку пробою газів, руйнування молекул самої рідини за рахунок зіткнень із зарядженими частками.

4.3 Пробій твердих діелектриків

Для твердих діелектриків характерні такі види пробою: 1) електричний ;

2) електротепловий; 3) електрохімічний.

Залежно від різних факторів у тому самому діелектрику можуть виникати зазначені види пробою.

Електричний пробій за своєю природою є електронним процесом, коли з деяких початкових електронів у твердому тілі утворюється електронна лавина. Він обумовлений ударною іонізацією чи розривом зв'язків між частками діелектрика під дією електричного поля. Відповідно до теорії А.А.Воробйова, електрична міцність діелектриків збільшується зі зростанням енергії криста-лічних граток. У рівномірному електричному полі вільні електрони, появі яких сприяє автоелектронна емісія, прискорюються і, зіштовхуючись з вузлами крис-талічних граток, віддають їм накопичену енергію. Електрони, що досягли критичної швидкості, роблять відщеплення нових електронів, і стаціонарний стан порушується унаслідок виникнення ударної іонізації. У процесі ударної іонізації при взаємодії носіїв зарядів з електронами відбувається порушення хімічних зв'язків і перехід твердої речовини в стан частково іонізованої газової плазми, яка поширюється в напрямку потоку носіїв заряду. Потенціал заряду виноситься в головну частину каналу. Процес далі йде доти, поки канал не перетне весь розрядний проміжок.

Чисто електричний пробій має місце, коли виключений вплив електропровідності і діелектричних втрат, а також відсутня іонізація газових включень. Цей вид пробою протікає практично миттєво за час 10^-7-10^-8с.

Більшість технічних діелектриків відрізняються неоднорідністю структури. Наявність у них включень з підвищеною провідністю і діелектричною проникністю приводить до викривлення електричного поля, утворення всередині діелектрика ділянок з підвищеною провідністю. Це приводить до зменшення електричної міцності неоднорідних діелектриків.

У сильно неоднорідному електричному полі у твердих діелектриках може мати місце ефект полярності, причому менша пробивна напруга відповідає позитивній полярності електрода з малим радіусом кривизни. Незважаючи на те, що у твердих діелектриках ефект полярності виражений слабкіше, ніж у газоподібних, розходження пробивних напруг може досягати 20-30%.

Низькою електричною міцністю відрізняються пористі діелектрики, наприклад, непросочений папір, дерево, кераміка і т.д. З метою підвищення електричної міцності проводять їхнє просочення чи покриття спеціальними складами, що обмежують доступ вологи всередину діелектрика.

Тепловий пробій твердих діелектриків виникає в тому випадку, коли кількість теплової енергії, що виділяється в діелектрику внаслідок діелектричних втрат, стійко перевищить кількість енергіїї, що діелектрик здатний передати в навколишнє середовище. Необмежений ріст температури закінчується тепловим руйнуванням діелектрика. Таким чином, тепловим пробоєм називається пробій, обумовлений порушенням теплової рівноваги діелектрика внаслідок діелектричних втрат.

Пробій, як правило, відбувається в тому місці діелектрика, де умови тепловідводу найгірші, тому величина U_пр залежить від властивостей того середовища, у якому знаходиться діелектрик. З ростом температури навколишнього середовища пробивна напруга експоненціально зменшується, що пов'язано зі збільшенням кількості енергії, яка виділяється в діелектрику в результаті діелектричних втрат, і зменшенням кількості енергіїї, яку діелектрик здатний відводити в навколишнє середовище.

При пробої товстих зразків тепловідвод від внутрішніх областей утруднений, тому вони перегріті більше, і в результаті цього в міру збільшення товщини зразків Е_пр зменшується.

Зменшення Е_пр спостерігається також при тривалій витримці зразка під напругою, тому що діелектрик за цей час нагрівається більше за рахунок діелектричних втрат.

Розглянемо методику спрощеного розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої однорідного діелектрика, в якому переважними є втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Значення потужності, що розсіюється в діелектрику, виражається формулою

(4.2 )

З огляду на, що експоненціально залежить від температури, наведену формулу можна перетворити до виду

, (4.3)

де - прикладена напруга; - частота; - відносна діелектрична проникність

(вважаємо її незалежною від температури); - тангенс кута діелектричних втрат при температурі навколишнього середовища; - температурний коефіцієнт тангенса кута діелектричних утрат; Т - температура нагрітого за рахунок діелектричних втрат матеріалу; Т_о - температура навколишнього середовища;

- площа електрода; h - товщина діелектрика.

Якщо товщина діелектрика не дуже велика, то можна припустити, що температура по всьому об'єму матеріалу, що знаходиться між електродами, однакова, тобто крайовим ефектом можна знехтувати.

Оскільки теплопровідність металу електродів на два-три порядки більше, ніж теплопровідність діелектрика, то тепловідводом через торцеву поверхню діелектрика зневажаємо і припускаємо, що тепловідвод від нагрітого об'єму, розповсюджується в навколишнє середовище через електроди. Потужність, що відводиться від діелектрика, виразимо за допомогою формули Ньютона:

, (4.4)

де - сумарний коефіцієнт теплопередачі від діелектрика в зовнішнє середовище.

На рис. 4.4 наведені експоненти тепловиділення при різних значеннях прикладеної напруги і пряма теплопередачі .

Коли до діелектрика прикладається напруга, він нагрівається до температури Т₁, при якій настає стійка теплова рівновага, тому що потужність тепловиділення дорівнює потужності, що відводиться від зразка. Ця напруга не є небезпечною для зразка, якщо нагрів до температури Т₁ не приводить до механічного чи хімічного руйнування структури матеріалу. При перевищенні температури діелектрика з якихось причин, він повинний мимовільно повернутися в стійкий стан у зв'язку з тим, що ордината потужності, що відводиться, більше ординати тепловиділення.

Підвищення напруги супроводжується нагріванням діелектрика до температури Т₂, коли настає хитка теплова рівновага.

Р Р_а3 Р_а2 Р_а1

Р_т

Т

Т₁ Т₂ Т₃

Рис.4.4 -Залежності при різних напругах і

Незначна зміна температури приведе до перевищення потужності тепловиділення над потужністю, що відводиться від зразка. Температура діелектрика збільшується, що з часом приводить до його теплового руйнування. При подальшому збільшенні напруги (крива Р_а3) теплова рівновага не настає і температура діелектрика постійно росте. Напруга, при якій має місце хиткий граничний режим, може бути прийнята за напругу теплового пробою U_пр. Його можна визначити за двома умовами:

; (4.5)

(4.6)

Умова (4.5) виконується тільки для граничного режиму, а умова (4.6) - для усіх випадків усталеної роботи діелектрика під напругою.

Використовуючи вирази (4.3 ) - (4.4 ), маємо

; (4.7)

. (4.8)

Розділивши вираз (4.8) на (4.7), одержимо

. (4.9)

Підставляючи (4.9) у (4.8) і вирішуючи його відносно U , визначимо U_пр:

(4.10)

де К - числовий коефіцієнт, рівний 1,15*10⁵, якщо усі величини, що мають розмірності, виражені в системі СІ.

З отриманого виразу випливає, що напруга теплового пробою буде вище, якщо умови тепловідводу краще і діелектрик має більшу товщину. Збільшення частоти прикладеної напруги, коефіцієнта діелектричних втрат і тангенса кута діелектричних втрат зменшує напругу пробою.

Коли перегрів діелектрика обумовлений тільки втратами на електропровідність, то вираз (4.10) за допомогою (3.9) і (2.11) перетвориться до виду

 (4.11)

де К₁=0,86; -температурний коефіцієнт питомої провідності.

У реальних умовах явище теплового пробою протікає більш складно, чим було розглянуто. По товщині діелектрика виникає перепад температури, середній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилягаючі до електродів, опір його падає, що призводить до викривлення електричного поля і підвищення градієнта напруженості в поверхневих шарах. Має значення також теплопровідність матеріалу електродів. Усе це призводить до пробою діелектрика при більш низьких напругах, ніж ті, які одержані в результаті розрахунку.

Різновидом теплового пробою можна вважати іонізаційний пробій. Він характерний для неоднорідних діелектриків, що містять включення зі зниженою електричною міцністю, наприклад, газові включення. Таке включення можна представити у вигляді елементарного конденсатора, на обкладках якого при додаванні зовнішнього поля починає накопичуватися заряд. У зв'язку з тим, що діелектрична проникність включення завжди менше значення проникності навколишнього матеріалу, в перерізі діелектрика відбувається перерозподіл напруженості поля, що приводить до збільшення напруженості у включенні. Навіть при помірній напрузі, прикладеній до діелектрика, напруженість у включенні може досягти величини, достатньої для виникнення іонізаційного процесу, що приводить до розряду. Пробій газового чи рідкого включення діелектрика називається частковим розрядом.

Після завершення розряду напруга на включенні знову починає наростати доти, поки наступить новий пробій. Кожен розряд супроводжується нейтралізацією деякого заряду . Для оцінки інтенсивності іонізації використовують добуток середнього значення компенсованого заряду при одному імпульсі на кількість імпульсів у секунду n. Цей добуток має розмірність струму й одержав назву відносної інтенсивності іонізації.

У результаті іонізаційних втрат розігрівається поверхня закритих пір, виникають локальні перепади температури і пов'язані з ними термомеханічні напруги. Це може призвести до розтріскування діелектрика.

Електрохімічний пробій спостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли електричне поле викликає необоротні зміни електроізоляційного матеріалу. Унаслідок цього зменшується електричний опір доти, поки не наступить пробій. Даний процес називається електрохімічним старінням матеріалу.

Для розвитку електрохімічного пробою потрібен тривалий час, тому що він зв'язаний з процесом електропровідності. Він може мати місце при високих частотах, якщо в закритих порах матеріалу відбувається іонізація газу, що супроводжується тепловим ефектом і відновленням, наприклад у кераміці, окислів металів змінної валентності.

Електрохімічний пробій діелектриків має істотне значення при підвищених температурах і високій вологості.

Поверхневий пробій являє собою пробій рідини чи газу поблизу поверхні твердого діелектрика. У разі поверхневого пробою електрична міцність твердого діелектрика не порушується, але утворення провідного каналу на поверхні істотно обмежує робочу напругу ізолятора.

Чим сильніше виражені гідрофільні властивості діелектрика, тим значніше зменшується поверхнева пробивна напруга, особливо в умовах підвищеної вологості.

Значення поверхневої пробивної напруги багато в чому залежить від конфігурації електродів, габаритних розмірів і форми твердого діелектрика. Коли діелектрик експлуатується на повітрі, то напруга поверхневого пробою залежить від температури, тиску, відносної вологості повітря і частоти прикладеної напруги.

Для запобігання поверхневого пробою доцільно збільшувати довжину розрядного шляху уздовж поверхні твердого діелектрика. З цією метою створюють ребристі поверхні ізоляторів, виконують проточки різних канавок, виготовляють конструкції з "утопленими " електродами. Підвищення робочих напруг досягається також згладжуванням неоднорідностей електричного поля за рахунок зміни форми електродів чи оптимізації конструкції ізолятора. Аналогічний ефект може бути отриманий при нанесенні на поверхню ізолятора на-півпровідних покрить чи діелектричних плівок з підвищеною діелектричною проникністю.

Ефективним заходом боротьби з поверхневим пробоєм є заміна повітря рідким діелектриком. Підвищена в порівнянні з повітрям діелектрична проникність рідин сприяє зниженню напруженості поля на поверхні твердого діелектрика, що дозволяє підвищити робочу напругу.

Розглянемо приклад розрахунку пробивної напруги твердого діелектрика на конкретному прикладі.

Задача. Маємо листовий ізоляційний матеріал "міканіт", що складається з дев'яти шарів бакелітового лаку товщиною по 5мкм, які служать діелектричним зв'язуванням, і десяти шарів, що містять частки слюди товщиною по 25мкм. Визначити пробивна напруга листа міканіту в постійному електричному полі й у змінному електричному полі, вважаючи, що для слюди Е_пр1=75 МВ/м, для лаку Е_пр2 =50 МВ/м

При розрахунку пробивної напруги міканіту замінимо його двошаровим конденсатором (рис.4.5), сумарна товщина шарів слюди якого дорівнює h₁ = 25x10 = 250мкм, а сумарна товщина шарів лаку h₂ =5 x 9 = 45мкм. Коли до матеріалу прикладена змінна напруга

Підставивши числові значення, одержимо

.

U

E₁ E₂

?_r1 ?_r2

h₁ h₂

Рис.4.5 - Двошаровий конденсатор.

У зв'язку з тим, що і , спочатку визначимо, при якій зовнішній напрузі відбудеться пробій лаку:

Після пробою лаку вся зовнішня напруга буде прикладена до слюди, пробій якої відбудеться при збільшенні зовнішньої напруги до значення

.

При впливі постійного поля

Напруженість поля в слюді значно більше, ніж у лаку, тому пробій міканіту відбудеться при зовнішній напрузі, що відповідає напруженості електричного поля в слюді



Література: [1. с.58-73]

Контрольні запитання:

1.Перелічіть основні види пробою діелектриків, дайте їм коротку характеристику.

2.Опишіть процес пробою газів в однорідному електричному полі, вкажіть фактори, що впливають на величину напруги пробою.

3.Опишіть процес пробою газів у неоднорідному електричному полі, вкажіть основні закономірності його розвитку.

4.Наведіть приклади зміни величини напруги пробою від тиску газу, що наповняє, і відстані між електродами.

5.Опишіть процес пробою технічних рідких діелектриків, укажіть фактори, що роблять вплив на їхню електричну міцність.

6.Перелічіть основні механізми пробою твердих діелектриків.

7.Опишіть закономірності розвитку електротеплового пробою.

5. Фізико-хімічні і механічні властивості діелектриків

Вибір електроізоляційного матеріалу для конкретного електротехнічного виробу проводиться з урахуванням не тільки його електричних характеристик, але й тих зовнішніх факторів, що можуть впливати на стабільність його характеристик у процесі експлуатації . До таких факторів слід віднести вологість і температуру навколишнього середовища, механічні впливи, радіоактивні випромінювання, вплив хімічно агресивних речовин і т.д.

Гігроскопічність електроізоляційних матеріалів. Багато електроізоляційних матеріалів гігроскопічні, тобто мають здатність вбирати в себе вологу з навколишнього середовища і вологопроникливі , тобто здатні пропускати крізь себе пари води. В атмосферному повітрі завжди міститься деяка кількість водяного пару.

Абсолютна вологість повітря - це маса водяного пару, що міститься в одиниці об'єму повітря.

Відносною вологістю повітря називають відношення

, (5.1)

де - маса водяного пару в одиниця об'єму; - максимально можлива маса водяного пару при тій же температурі.

Нормальними умовами вважають вологість 60-70% при температурі повітря 20 5 ⁰С.

Вплив підвищеної вологості повітря в першу чергу впливає на поверхневий опір діелектрика. Для захисту поверхні електроізоляційних деталей з полярних твердих діелектриків від дії вологості їх покривають лаками , що не змочуються водою. Здатність матеріалу змочуватися водою характеризується крайовим кутом змочування.



а) б)

Рис. 5.1 - Крапля води на поверхнях, що змочуються (а) і що не змочуються (б).

Для поверхонь, що змочуються < 90^о, для тих, що не змочуються - >90^о.

Попадання води в пори твердого діелектрика приводить до різкого зниження їхніх електричних властивостей. Розмір молекул води складає 2,5 10^-10м, що дозволяє їм проникати навіть у внутрімолекулярні пори електроізоляційних матеріалів.

Вологовбирання зразка матеріалу визначають за формулою

,

де - початкова маса зразка; - маса зразка після його витримки протягом t часу у вологому середовищі.

Сухий зразок матеріалу, вміщений у вологе повітря, буде поступово поглинати вологу з повітря, його вологість з часом буде підвищуватися, наближаючись до рівноважної вологості (рис 5.2, крива1). Якщо зразок буде мати вологість більшу, ніж вологість навколишнього повітря, то через якийсь час його вологість зменшиться, наблизившись до значення рівноважної вологості (рис.5.2, крива 2).



2

1

t

Рис.5.2 - Зміна вологості зразка матеріалу при зволоженні (1) і сушінні (2) при постійних значеннях відносної вологості навколишнього повітря і температури

Коли електричній ізоляції доводитися працювати в умовах зіткнення не тільки з повітрям, що містить пари води, але і з водою (атмосферні опади, заглибні установки і т.д.) то становить інтерес визначення водопоглинання. Однак водопоглинання і вологопоглинання не повністю відображають ступінь можливих змін електричних властивостей матеріалу при зволоженні. У тому випадку, якщо поглинена волога здатна утворювати всередині ізоляції нитки чи плівки, що можуть пронизувати весь проміжок між електродами, навіть малі кількості вологи, що поглинається, приводять до різкої зміни електричних властивостей ізоляції. Якщо волога розподіляється по об'єму матеріалу у вигляді окремих, не з'єднаних між собою малих включень, то вплив її на електричні властивості матеріалу менш істотний. Аналогічно для матеріалів, що не змочуються, зменшення питомого поверхневого опору при витримці у вологому середовищі незначне, тому що волога навіть у випадку утворення окремих крапель, не створює суцільну плівку.

При змінній напрузі найбільш чутливим до зволоження параметром діелектриків є , що помітно зростає при зволоженні. Менш чутлива величина , однак у зв'язку з великим значенням діелектричної проникності води , при зволоженні матеріалу його, як правило, зростає.

Для оцінки якості матеріалів, які застосовуються для захисних покрить (оболонки кабелів, компаундні заливання, лакові покриття і т.д.) важливо знати вологопроникність електроізоляційних матеріалів, тобто здатність пропускати крізь себе пари води.

Кількість вологи ( у мікрограмах), що проходить за час (годину) через ділянку поверхні (см²) шару ізоляційного матеріалу товщиною (см) під дією різниці тисків водяних парів і (мм.рт.ст.) з двох сторін шару, дорівнює

(5.2)

Коефіцієнт П є вологопроникність даного матеріалу.

Вологопроникність ізоляційних матеріалів змінюється в широких межах. Так, для парафіну значення П дорівнює 0,0007; для полістиролу - 0,03; для триацетату целюлози - близько 1 мкг/(см год мм.рт.ст.). Зменшити гігроско-пічність і вологогопроникність ізоляційних матеріалів можна в результаті їхнього просочення. Однак з огляду на те, що молекули рідини, яка просочує, значно більше молекул води, просочення не дозволяє повністю закрити доступ волозі в пори матеріалу.

Для олій, лаків, заливальних і просочуючих компаундів важливою характеристикою є в'язкість. Відповідно до закону Пуазейля, об'єм рідини з динамічною в'язкістю , що протікає за час під дією тиску крізь капіляр довжиною і радіусом дорівнює

. (5.3)

Швидкість руху твердої кульки радіусом у неорганічному середовищі з динамічною в'язкістю під впливом безупинно впливаючого зусилля постійна і має величину, обумовлену законом Стокса

. (5.4)

У системі СІ виміряється в Паскаль-секунду

1 Па с = 1Н с/м² = 1 кГ/м с = 10 Пуаз

Кінематична в'язкість дорівнює відношенню динамічної в'язкості рідини до її щільності

(5.5)

Розмірність кінематичної в'язкості - м²/с.

Умовна в'язкість пов'язана з динамічною і кінематичною в'язкостями емпіричними формулами. Це відношення часу витікання з віскозиметра Енглера 200мл випробувальної рідини (при заданій температурі випробувань) до постійного приладу. Для віскозиметра Енглера постійна приладу являє собою час витікання 200 мл дистильованої води при 20 ⁰С. Виміряється умовна в'язкість у градусах Енглера.

Теплові властивості діелектриків. Ці властивості характеризуються наступними параметрами: нагрівостійкістю, морозостійкістю, теплопровідністю і тепловим розширенням.

Здатність електроізоляційних матеріалів без шкоди для них як короткочасно, так і довгостроково витримувати вплив високої температури, а також різкі зміни температури називається нагрівостійкістю.

Для неорганічних матеріалів нагрівостійкість визначають по зміні їхніх електричних властивостей (. Величину нагрівостійкості оцінюють відповідними значеннями температури, при якій відбулися ці зміни.

Нагрівостійкість органічних діелектриків можна визначати за початком механічних деформацій і зміною електричних характеристик.

Одним із способів оцінки нагрівостійкості є спосіб Мартенса. Він застосовується для оцінки якості пластмас і подібних їм матеріалів. За цим способом нагрівостійкість характеризують таким значенням температури, при якому згинаюча напруга 50 кГ/см² викликає помітну деформацію випробуваного зразка.

У процесі експлуатації в діелектриках спостерігається теплове старіння - необоротне погіршення якості ізоляції при тривалому впливі підвищеної температури внаслідок повільно протікаючих хімічних процесів. Крім температури на швидкість теплового старіння можуть впливати: наявність озону чи інших хімічних реагентів, вплив електричного поля, ультрафіолетового випромінювання, механічні навантаження і т.д. Для перевірки стійкості електроізоляційних матеріалів до теплового старіння їх тривалий час витримують при підвищеній температурі, потім порівнюють їхні властивості з властивостями вихідного матеріалу.

Матеріали, що використовуються для ізоляції електричних машин, трансформаторів і апаратів за нагрівостійкістю, розділяються на сім класів. Для кожного класу встановлюється певна максимальна температура, при якій матеріал може довгостроково працювати без погіршення своїх властивостей (табл. 5.1).

Морозостійкість - це здатність ізоляції працювати без погіршення експлуатаційної надійності при низьких температурах. Електричні властивості ізоляції при низьких температурах, як правило, поліпшуються, але багато матеріалів при зниженні температури стають крихкими і твердими, що затрудняє їхнє використання.

Таблиця 5.1 Класи нагрівостійкості електроізоляційних матеріалів

Позначення класу	Температура, що характеризує клас (0С)	Основні групи електроізоляційних матеріалів, що відповідають даному класу
Y	90	Волокнисті матеріали з целюлози, бавовни, натурального шовку, поліамідів; полівінілхлорид, вулканізований натуральний каучук
A	105	Волокнисті матеріали, просочені олійними, олійно-смоляними та іншими лаками
E	120	Синтетичні волокна, плівки, смоли, шаруваті пластики, ізоляція емальованих проводів на епоксидних лаках
B	130	Матеріали на основі слюди, азбесту і скловолокна в сполученні з органічними в'яжучими
F	155	Ті ж матеріали в сполученні із синтетичними в'яжучими; ізоляція емальованих проводів на поліефірамідних лаках
H	180	Ті ж матеріали з кремнійорганічними в'яжучими; кремнійорганічні еластомери
C	>180	Слюда, скло, кварц, азбест, фторопласт-4.

Теплопровідність матеріалів характеризують питомою теплопровідністю , що може бути визначена відповідно до рівняння Фур'є

, (5.5)

де - потужність теплового потоку через площадку , нормальну до потоку енергії; - градієнт температури.

Електроізоляційні матеріали мають значно меншу питому теплопровідність, ніж метали. Найменше значення мають пористі електроізоляційні матеріали з повітряними включеннями. При просоченні, а також при ущільненні матеріалів зовнішнім тиском, збільшується. Як правило, кристалічні діелектрики мають більш високе значення , ніж аморфні.

Теплове розширення діелектриків оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення:

ТК (5.6)

Матеріали, що володіють малим значенням коефіцієнта лінійного розширення, як правило, мають високу нагрівостійкість. Органічні діелектрики мають більше значення температурного коефіцієнта лінійного розширення, ніж неорганічні. Встановити значення ТК можна за методом аналогічним для визначення ТК .

Механічні властивості діелектриків. У процесі експлуатації електроізоляційні матеріали піддаються впливу механічних навантажень. У зв'язку з цим велике практичне значення мають механічна міцність і здатність їх не деформуватися від механічних напружень. Характеристиками, за допомогою яких можна оцінити механічні властивості електроізоляційних матеріалів, є міцність на розрив, стиснення і вигин. Значення цих характеристик для волокнистих, шаруватих і подібних їм матеріалів залежить від напрямку прикладення навантаження. При підвищенні температури механічна міцність електроізоляційних матеріалів, як правило, зменшується. У деяких випадках практичне значення мають такі механічні характеристики матеріалів, як крихкість і твердість. Пов'язано це з тим, що багато матеріалів, володіючи порівняно високою міцністю стосовно статичних навантажень, легко руйнуються під дією динамічних зусиль. Для оцінки здатності матеріалу витримувати динамічне навантаження їх піддають випробуванням з метою визначення питомої ударної в'язкості. Цей параметр визначається відношенням витраченої на злам зразка енергії на поперечний переріз зразка. У системі СІ питома ударна в'язкість має розмірність Дж/м².