Почему диэлектрики в сильных электрических полях теряют электрическую прочность

Электропроводность диэлектриков в сильных полях Пробивное напряжение и электрическая прочность

Минимальное напряжение U_пр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след-трекинг.

Отношение импульсного, пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение U_пр от времени происходит из-за электрического старения изоляции — необратимых процессов под действием тепла и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

E_пр, В/м; U_пр — пробивное напряжение, В; d — толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково:

1 МВ/м=10 6 В/м=1 кВ/мм.

Определение электрической прочности

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ, минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков.

Д ля оценки электрической прочности Е_пр необходимо, чтобы пробой производился в однородном электрическом поле. В этом случае пробивное напряжение U_пр будет пропорционально Е_пр. Однородное поле можно создать между двумя электродами, представляющими собой тела вращения определенной формы. Для получения поля, близкого к однородному, можно

воспользоваться цилиндрическими электродами, при этом диаметр нижнего электрода D₁ должен быть больше диаметра верхнего D электрода не менее чем в 3 раза.

Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.

Для определения Е_пр твердых изоляционных материалов применяют образцы с одной или двумя лунками или с лункой и выточкой.

Электроды получают путем осаждения серебра, золота, платины, меди или алюминия различными методами, например, распылением в вакууме или вжиганием. Могут быть получены графитовые электроды из суспензии графита в лаке.

Электрический пробой

Электрический пробой — разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10 -5 — 10 -8 с.

Е_пр при электрическом пробое зависит главным образом:

от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

частоты приложенного напряжения;

геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10 -4 — 10 -5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Е_пр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10 2 — 10 3 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 10 2 МВ/м.

Почему диэлектрики теряют электрическую прочность?

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Используемые на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность, способность диэлектрика пропускать постоянный электрический ток. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому весьма мал и ток. Следовательно, для диэлектрика характерным является весьма большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (оказывать большое сопротивление прохождению электрического тока и способность поляризоваться).

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. Электрическая изоляция является неотъемлемой мастью электрической цепи и прежде всего нужна для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.

Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называются пассивными диэлектриками. В настоящее время широко применяются так называемые активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов. Например, конденсатор, диэлектрическим материалом в котором служит пьезоэлектрик, под действием приложенного переменного напряжения изменяет свои линейные размеры и становится генератором ультрозвуковых колебаний. Емкость электрического конденсатора, выполненного из нелинейного диэлектрика — сегнетоэлектрика, изменяется в зависимости от напряженности электрического поля; если такая емкость включена в колебательный LC-контур, то изменяется и его частота настройки.

Техника, технология и эксплуатация электротехнического и радиоэлектронного оборудования предъявляют самые разнообразные требования к свойствам диэлектрических материалов. Помимо нужных электрических свойств диэлектрические материалы должны обладать еще механическими, термическими и многими другими физико-механическими свойствами.

Практически используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Поэтому диэлектрики на постоянном напряжении пропускают весьма малый ток. Этот ток называют сквозным током утечки.

Удельная проводимость и удельное сопротивление. На рис. 1 схематически изображен участок твердой изоляции с расстоянием между электродами 1 и 2h (м) и сечением S = h·l(м 2 ), по которому протекает сквозной ток утечки I_из (А). Ток I_из складывается из объемного тока утечки I_v, протекающего через объем, и поверхностного тока утечки /», протекающего по поверхности изоляции от электрода 1 к 2. Если к электродам приложено напряжение U (В), то проводимость G_из (см) такого участка изоляции равна

Величина, обратная G_из называется сопротивлением изоляции:

Для твердых диэлектриков ток I_v определяет величину объемной G_V, а ток I_S — поверхностной G_s проводимости изоляции, а соответственно объемное R_V и поверхностное R_S сопротивления.

Рис. 1. Объемный I_v и поверхностный I_S, токи утечки через участок изоляции

Электропроводность диэлектрика характеризуют параметрами: удельной объемной у_V и поверхностной у_s проводимостью или удельным объемным р_v и поверхностным p_s сопротивлением. Если объемное сопротивление изоляции (рис. 1) равно R_v, то р» = R_vS/h.

Пробой диэлектриков и электрическая прочность. Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 10 8 А/м 2 , а сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание электродов.

Это явление называют пробоем диэлектрика.

Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя — электрической прочностью.

На рис. 2 показана типичная зависимость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного напряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U_пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление.

Рис. 2. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика

В зависимости от свойств изоляции и мощности источника электрической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплавленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому образцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то пробой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем U_пр первого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_пр, так как атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процессе пробоя частицы. Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то

где Е_пр — электрическая прочность, В/м;

U_пр — пробивное напряжение, В;

h — расстояние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в киловольтах, толщину диэлектрика — в миллиметрах, а электрическую прочность — в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедливы следующие соотношения:

10 6 В/м = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

При определении Е_ар твердого диэлектрика может произойти пробой по поверхности — перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой (рис. 3).

Рис. 3. Схема пробоя (1) и перекрытия (2) образца твердого диэлектрика

В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твердого диэлектрика. Напряжение поверхностного перекрытия зависит от свойств твердого диэлектрика, формы образца, электродов и закономерности пробоя окружающей среды.

Экспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и времени воздействия приложенного напряжения. Значение Е_пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от Е_пр на переменном, а также различаются значения E_nр на импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину Е_пр влияют и другие факторы. Определение электрической прочности проводится стандартизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е_пр твердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения поверхностного пробоя можно проводить определение Е_пр на образцах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансформаторном масле. На рис. 4 приведены формы и размеры ряда образцов для определения Е_пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U_Dp, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 4, б) и цилиндрического (рис. 4, д) образцов.

В качестве электродов могут использоваться массивные металлические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей стали, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и трансформаторном масле фольговые, напыленные в вакууме металлические, графитовые и другие электроды. Для получения в месте пробоя однородного поля диаметр D₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D верхнего электрода (рис. 4, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диаметрами (рис. 4, в). Однородное поле в тонких пленочных образцах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 4, г). Для определения E_nv жидких диэлектриков используют специальные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специальных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни.

Рис. 4. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов

Измерение U_np образцов диэлектриков производится на испытательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 5.

Установка для измерения U_пр при частоте 50 Гц (рис. 5, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения напряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансформатора плавно или ступенями изменяется с помощью автотрансформатора А Т. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3 к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защитный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора Т. Напряжение на образце измеряется вольтметром V, который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной установки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток короткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких диэлектриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмотке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансформатора и резисторе R опасно для жизни. Поэтому трансформатор Т, резистор R и испытательное поле, на котором расположены образец 1, электроды 2, 3, размещают в защитной камере ЗК.

Рис. 5. Принципиальная схема измерения пробивного напряжения на частоте 50 Гц (а) и на постоянном напряжении (б)

В ходе определения U_np напряжение на низковольтной обмотке плавно или ступенями повышают и фиксируют напряжение пробоя по вольтметру V. В цепи низкого напряжения предусмотрено автоматическое устройство, которое отключает питание установки в момент пробоя. Сигнальная лампа СЛ указывает на включение и отключение установки.

Для измерения U_np на постоянном токе (рис. 5, б) в цепь высокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденсатор Сф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополуперйодной схеме выпрямления.

Число пробоев при испытаниях оговаривается техническими условиями на свойства материалов. Однако в любом случае число пробоев должно быть не менее 5, а при испытании узких и ленточных материалов электродами с диаметром 6 мм число пробоев должно быть не менее 10. В том случае, если отдельные результаты отличаются от среднего арифметического более чем на 15%, число пробоев увеличивается в два раза.

Почему диэлектрики теряют электрическую прочность?

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.

Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

— определяет способность ЭИМ сохранять свои изоляционные свойства в электрическом поле

— для равномерного электрического поля определяется:

электрическая прочность зависит:

— площади электродов ( поры, неровности поверхности)

— времени воздействия напряжения ( старение )

— скорости нарастания напряжения ( tпр = tож + tформ ). Предразрядное, ожидания, формирования – время.

— частоты источника питания

— расстояния между электродами равномерное поле – 30 Кв/см (плоскость-плоскость)

Слабо неравномерное 27,5 Кв/см (шар-шар)

ПЛОЩАДЬ ЭЛЕКТРОДОВ.

Пробой электроизоляционных материалов происходит всœегда в самом слабом месте. Это должна быть воздушное включение, нарушение структуры или уменьшение толщены диэлектрика. При увеличении площади электродов возрастает вероятность нарушения однородности электрического поля из-за шероховатости электродов, и возможного наличия в объёме ЭИМ пустот. По этой причине при увеличении площади поверхности электродов и равных прочих условиях электрическая прочность снижается.

ВРЕМЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

При приложении к электроизоляционному материалу высокого напряжения в нём выделяется неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ количество тепла. Его источниками служат ток проводимости, дипольные потери и потери энергии на абсорбцию. При повышении температуры в электроизоляционных материалах могут происходить электролитические процессы, сопровождающиеся образованием дендридов. В электроизоляционных материалах с воздушными включениями под действием высокого напряжения воздух ионизируется. Образующийся при этом атомарный кислород и водород вместе с азотом образуют азотную кислоту, которая разрушает органический изоляционный материал. Электрохимические явления в сочетании с перепадом температур, влажности, динамических и механических нагрузок приводят к постепенному необратимому ухудшению качества ЭИМ, называемому старением изоляции.

ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СТАРЕЮЩЕЙ ИЗОЛЯЦИИ СНИЖАЕТСЯ.

СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

Пробой газового промежутка мгновенно наступить не может крайне важно время на формирование дугового разряда —
tпр
. Различают две составляющие предразрядного времени: —
tзап.
время запаздывания, связанное с ожиданием первого свободного электрона, способного ионизировать газ в промежутке; —
tформ.
время формирования разряда, ᴛ.ᴇ. время, в течение которого плотность тока в газовом промежутке возрастёт соответствующей искровому или дуговому разряду. Временная характеристика пробоя представлена не рисунке 3:

Сумму времени запаздывания и времени формирования и времени формирования называют предразрядным временем.

В равномерных электрических полях, где самостоятельный разряд возникает одновременно по всœей длинœе искрового промежутка, время формирования очень мало и составляет примерно 10 – 8 с.

При заданной форме электродов (игла – игла) и расстоянии между ними пробивное импульсное напряжение зависит от скорости нарастания напряжения, каждый промежуток характеризуется вольт – секундной характеристикой (ВСХ). Вследствие сильного влияния крутизны фронта и формы изменения импульса напряжения на развитие разряда для испытательных целœей принята стандартная форма испытательного импульса напряжения Рис. 4.:

Рис. 4. Форма испытательного импульса:

Вместо термина ʼʼимпульс напряженияʼʼ часто употребляют термин волна напряжения; Импульс или волна имеет следующие параметры: Uм амплитуду т. е. наибольшее мгновенное значение; t¢ф — длительность (длину) фронта от момента начала импульса до момента достижения им амплитудного значения; t¢в, — длительность (длину) импульса измеряемую от начала импульса до момента после перехода через амплитудное значение, когда мгновенное значение напряжения снизится до половинной величины его амплитуды. Реальное очертание фронта импульса, генерируемого испытательными установками, несколько отличается от теоретического. При расшифровке осциллограмм не всœегда можно четко установить момент начала волны и момент наступления ее ампли­туды, вследствие чего возможна относительно большая погреш­ность в оценке длительности фронта. По этой причине введены условные определœения длительности импульса и его фронта͵ графическое построение которых показано на рис. 4 (точки С, С¢и D);условные длительности импульса tв и его фронта tф меньше физически наблюдаемых. Сегодня стандартизованы рекомендации МЭК и стран Европы: tф=

tв = 50 мкс ±

Осциллограммы процесса пробоя газа при разных амплитудах импульса используют для построения вольт-секундной характери­стики; эта характеристика представляет собой важнейшую зави­симость, используемую при вы­боре уровня изоляции иоценке ее эксплуатационных возмож­ностей.

На рисунке 5 поясняет метод по­строения вольт-секундной ха­рактеристики. По мере увели­чения амплитуды импульса при некотором ее минимальномзна­чении возникают редкие пробои (кривая 1),

вызывающие срезы на хвосте импульса при среднем предразрядном времени t1;повышение амплитуды им­пульса (кривые 2, 3, 4)сопровождается сокращением сред­него предразрядного времени. Мгновенное значение напряжения в момент пробоя смещается к значению амплитуды и, наконец, пе­реходит на фронт импульса. По мере повышения амплитуды им­пульса вероятность пробоя растет, и, начиная от некоторого ее значения, пробой происходит всякий раз при приложении импульса. Зависимость наибольшего до момента среза мгновенного зна­чения импульса от предразрядного времени представляет собой вольт-секундную характеристику.Построение вольт-секундной характеристики по осциллограммам пробоя производится следую­щим образом. На ординате, соответствующей каждому предразрядному времени t1, t2, …,
tk,
откладывается наибольшее мгновен­ное значение напряжения, имевшее место на объекте до момента среза: для t2и t3это напряжение равно амплитудам соответствен­ных импульсов, для t4 равно мгновенному значению при пробое, как наибольшему наблюденному до среза. Плавная кривая, проведенная через точки
а, b, с, d
образует вольт-секундную характеристику изоляции для даннойформы импульса, конфигурации электродов, длины пробивного промежутка между ними.

Метод построения вольт-секундной характеристики.

В силу статистического характера пробоя промежутка вольт-секундная характеристика дает связь между среднимизначениями напряжения и соответствующими им среднимизначениями предразрядного времени. Конкретные значения пробивного напряжения и предразрядиого времени образуют некоторую область воз­можных их сочетаний. Эта область показана на рисунке пункти­ром; практическое значение при координации изоляции имеют как верхняя, так и нижняя огибающиеэтой области.

Вольт-секундная характеристика u(t) = f(t)аналитически мо­жет быть рассчитана по эмпирической формуле:

и
tо
— параметры, определяемые опытным путем; их величина зависит от формы электрического поля между электро­дами.

1. Что такое удельное объёмное сопротивление ?

2. Как определяют электрическую прочность для равномерного электрического поля ?

3. Чем определяется предразрядное время ?

4. Как определяют длительность фронта волны напряжения ?

5. Что такое вольт-секундная характеристика.?

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Жидкие синтетические диэлектрики

Эти электроизоляционные материалы превосходят по некоторым характеристикам нефтяные масла. У них существует склонность к электрическому старению, что негативно отражается на свойствах под воздействием электрического поля повышенной напряженности.

Для того чтобы справиться с подобной проблемой, пропитка конденсаторов осуществляется полярным жидким диэлектриком.

Проверка электрической прочности является обязательным мероприятием, позволяющим подобрать наиболее эффективный вид изолятора.

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Классификация

При различных условиях диэлектрический материал может проявлять различные изоляционные характеристики, что определяет сферы его применения. Например, в зависимости от температуры, меняется электрическая прочность.

В зависимости от строения, выделяют органические и неорганические электроизоляционные материалы.

По мере развития электротехнической промышленности формировалось и производство диэлектрических материалов из минералов. Технология за последнее время усовершенствовалась настолько, что удалось существенно снизить стоимость продукции, в результате минеральные диэлектрики вытеснили химические и натуральные материалы.

Смотреть галерею

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:

Или определяется по формуле: Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Периодичность проверок

Для диэлектрических калош через каждые 12 месяцев проводят плановые испытания, прикладывая напряжение 3,5 кВ на протяжении 1 мин.

Также читайте: Что такое напряжение шага

Кроме этого могут проводиться внеочередные проверки в следующих случаях:

• в результате падения;
• после ремонта;
• после замены отдельных элементов;
• при возникновении повреждений.

Испытания вспомогательных защитных средств проводятся по утверждённым инструкциям, основные положения из которых гласят:

1. Механические испытания следует проводить прежде электрических.
2. Для испытаний привлекаются исключительно квалифицированные специалисты, прошедшие специальную аттестацию.
3. Пред проверкой необходимо удостовериться в наличии заводской маркировки и целостности изоляционных поверхностей.

При несоответствии испытуемого образца данным условиям, испытания проводиться не могут вплоть до устранения обнаруженных недостатков.

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Испытания

Испытание диэлектрических галош проводят при напряжении величиной в 3,5 кВ, которое подключают на 1 минуту.

Далее проводят замеры тока утечки, путём пропускания сквозь изделие электрического тока. Делают это следующим образом:

1. Обувь погружают в ёмкость с водой при температуре от 15 до 35 градусов.
2. Проверяют, чтобы края объекта находились над поверхностью воды, а внутреннее пространство оставалось сухим. Требуется, чтобы уровень воды оказался ниже края предмета на 2 сантиметра.
3. Во внутреннюю полость обуви вкладывается электрод, заземлённый при посредстве миллиамперметра.
4. К испытуемому сосуду подключают ток, на период длиной 2 минуты, при этом напряжение повышают до отметки в 5 кВ.
5. Когда до завершения испытания остаётся 30 с, подключают миллиамперметр и снимают показания.

Схема для испытания диэлектрических перчаток, для галош аналогичная.

1 – присоединение к источнику напряжения; 2 – ванна с водой; 3 – вода внутри перчатки и ванны; 4 – электроды (стержень) для подсоединения воды к двум полюсам источника напряжения; 5 – расстояние от края перчатки до воды в ванне

Если величина тока утечки выявленная в ходе испытаний соответствует допустимым нормам, а изделие избежало пробоев, то результаты проверки считают удовлетворительными, а защитное средство пригодное к эксплуатации.

Нормативы допускают проводить испытания одновременно для нескольких пар диэлектрических галош при помощи одного сосуда. В случае если один из объектов оказался пробитым, в период тестирования, то его извлекают, не останавливая испытаний. Все галоши прошедшие проверку получают соответствующий штамп с датой проведения испытания.

Также читайте: Какое влияние трансформаторная будка может оказывать на человека

Почему в электрическом поле диэлектрик стареет

В результате длительного воздействия электрического поля, особенно при повышенной температуре, у диэлектриков (электрической изоляции) постепенно ухудшаются их основные свойства — происходит электрическое старение, которое, в конечном счете, завершается пробоем диэлектрика (выходом изоляции или диэлектрической детали из строя).

Электрическое старение под действием внутренних частичных разрядов является одним из определяющих факторов при выборе рабочей нагрузки электрического оборудования высокого напряжения. Исследования зависимости ресурса изоляции от интенсивности частичных разрядов (ч.р.) показывают, что наблюдается тенденция к меньшим срокам службы у образцов, имеющих большую интенсивность частичных разрядов.

Экспериментально установлено, что зависимость времени жизни t от напряженности электрического поля Е, характеризуется степенным законом:

Эта зависимость действует в широком интервале напряженностей и справедлива для целого спектра материалов от однородных полимеров до сложных композиционных структур.

Показатель n определяется видом изоляции и меняется от 2…4 для пленочных полимеров, до 10…15 для слюдосодержащих систем изоляции. Коэффициент А, который также определяется видом изоляции, зависит еще от размеров и качества исполнения образцов, он определяет статистическое распределение долговечности при неизменных условиях испытаний. Распределение А обычно описывается законом Вейбулла, который в интегральной форме имеет вид:

где F (А) — вероятность достижения значения А, не большего, чем заданное; k определяется размерами, b — неоднородностью образцов.

Контрольные вопросы

Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.

2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?

Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).

4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?

Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.

5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.

6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?

, где – длина электрода, – поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: , где Uпр = I * R

7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков

Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей

Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.

Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.

Вопрос. Как зависит электрическая прочность Е_пр от толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?

Ответ. При использовании двух слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Е_пр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.

Электрохимический пробой

Электрохимический пробой диэлектрика заключается в том, что при воздействии постоянных и переменных электрических полей в диэлектрике происходят электролитические процессы, приводящие к изменению химического состава и уменьшению электрической прочности. Уменьшение электрической прочности приводит с течением времени к электрическому пробою. Этот процесс называется старением диэлектрика и наблюдается как в диэлектриках органического происхождения, так и в некоторых неорганических диэлектриках. Процесс старения диэлектриков требует длительного времени. Уменьшение электрической прочности при старении диэлектрика приводит к сокращению срока службы электронного и электрического оборудования. График зависимости пробивного напряжения изоляции от времени приведен на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Зависимость пробивного напряжения изоляции от времени

Допустим, что необходимо обеспечить длительность эксплуатации электротехнического устройства, равную Если рабочее напряжение, воздействующее на изоляцию, равно U_p, то произойдет электрический пробой через интервал времени, равный r„i . Таким образом, устройство выйдет из строя через меньший отрезок времени, чем расчетная длительность эксплуатации.

Если снизить рабочее напряжение до U_p 2, то пробой изоляции с учетом старения произойдет через отрезок времени t„₂ > и пробой изоляции не окажется причиной выхода устройства из строя.

Электрическое старение изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения

Длительное воздействие рабочего напряжения аппарата определяет способность его изоляции выдержать влияние всевозможных факторов за время всего срока эксплуатации и численно оценивается электрической прочностью через 20-30 лет путем испытания изоляции повышенным напряжением частотой 50 Гц в течение 1 мин. Длительная эксплуатация изоляции приводит к се старению, снижению электрической прочности и ухудшению электрических характеристик (диэлектрической проницаемости и потерь). Причинами изменения этих характеристик являются: электрическое старение вследствие развития частичных пробоев при перенапряжениях (грозового и внутреннего характера) или при рабочем напряжении; тепловое старение и окисление изоляции; увлажнение изоляции, а также причины механического характера (электродинамические толчки при коротких замыканиях, вибрации и т.п.); химическое старение или электролитическое окисление. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что приводит в дальнейшем к се пробою. Основной причиной электрического старения является развитие частичных пробоев, энергия которых тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, нагрев диэлектрика и излучение электромагнитных колебаний. Необратимое частичное разрушение диэлектрика накапливается, создавая кумулятивный эффект в изоляции, на что тратится несколько процессов всей энергии частичных пробоев. Характер и степень разрушения в твердом диэлектрике связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов или обратных процессов: образование молекул или присоединение радикалов. В органических диэлектриках частичные пробои вызывают выделение водорода или других газов (метан, ацетилен, углекислый газ и др.), а также углеродистых соединений со значительной проводимостью (дендриты в эпоксидном образующем терморсак- тивной изоляции, эрозия или углекислые образования по поверхности керамической, фарфоровой или стеклянной изоляции). Во многих случаях явление частичных пробоев можег вызвать микротрещины в диэлектрике.

Старение маслобарьерной и бумажной изоляции проявляется в изменении электрических и физико-химических характеристик как самого минерального масла, гак и бумаги или элскгрокартона. При этом проводимость и диэлектрические потери увеличиваются, в дальнейшем старение завершается электрическим или тепловым пробоем изоляции аппарата. Газовыдслснис в масле связано с действием сильного электрического поля (около 3 ЭВ), достаточного, чтобы свободные электроны разрушили молекулу углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения при наличии частичных пробоев или в его отсутствие зависит от химического состава масла, поэтому количество трансформаторного масла определяется месторождением нефти, возможными присадками и его очисткой [2].

Тепловое старение диэлектрика связано с рабочей температурой аппарата. Возможность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит химическое старение и осуществляется процесс химических реакций. Например, при повышении температуры химическое разложение целлюлозы характеризуется уменьшением степени полимеризации, при этом укорачиваются цепочки молекул, уменьшается гибкость и механическая прочность бумаги и картона.

Изоляционная конструкция во многих аппаратах в рабочем режиме соприкасается с воздухом, при этом возможно увлажнение. Процесс увлажнения масла в трансформаторах может быть от трех агрегатных состояний влаги: эмульгированное (пленка), молекулярнорастворенное (диполи) и газообразное (молекула влаги в газовой полости). Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворимостью обладают непредельные и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые. Наличие воды в масле снижает его электрическую прочность и увеличивает диэлектрические потери. Причем влияние воды сильнее сказывается, когда оно находится в эмульгированном состоянии, чем в молекулярпорастворимом.

Влажность увеличивает скорость термического старения, способствует разрушению молекул органического диэлектрика, ухудшает физико-технические характеристики.

Теоретические положения. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля − электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

где h – толщина диэлектрика, см.

Воздух как диэлектрик имеет следующие положительные свойства:

– быстро восстанавливает прочность после пробоя;

– имеет невысокую стоимость.

Поэтому воздух является изоляцией многих высоковольтных конструкций и аппаратов: линий электропередач, трансформаторов, выключателей и
т. д. Однако воздух имеет очень низкую прочность (существенно ниже, чем жидкие и твердые диэлектрики).Электрическая прочность воздуха зависит от давления, температуры и относительной влажности, а также формы электродов.

В лабораторной работе рассматриваются три стандартных промежутка:

Эти промежутки выбраны не случайно. Разрядные напряжения промежутка острие-плоскость близки к реальному промежутку провод-земля, а разрядные напряжения промежутка острие-острие – к реальному провод-провод.

Пробой воздуха обуславливается наличием ударной ионизации и фотоионизации. При наличии электрического поля свободные заряды (электроны и ионы) получают некоторую добавочную скорость в направлении поля и приобретают дополнительную энергию

где q – заряд частицы; U_λ – падение напряжения на длине свободного пробега.

Если поле однородно, то можно считать U_λ = E·λ, где Е – напряженность поля в газе; λ – средняя длина свободного пробега заряженной частицы. Отсюда получаем W = E∙q∙λ.

Электроны приобретают бóльшую энергию, так как они более подвижны и имеют бóльшую длину свободного пробега, чем ионы. При столкновении с молекулой газа электроны передают ей полученную от поля добавочную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул, то есть их расщепление на электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны могут ионизировать новые молекулы. Так возникает нарастающий поток электронов − лавина. Условием, определяющим возможность ионизации, является

где W_и – энергия ионизации молекулы.

Однако одной лавины не достаточно для пробоя воздушного промежутка. В небольших промежутках пробой происходит в форме стримеров, которые развиваются следующим образом. В большинстве случаев электрон, разгоняемый полем, не ионизирует молекулу, а приводит ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения, испуская фотон. Если фотон поглощается молекулой, то она может ионизироваться. Фотоны, обладая скоростью 3×10 8 м/с, обгоняют лавины электронов и вызывают образование новых лавин, что приводит к быстрому нарастанию числа лавин и развитию токопроводящего канала – стримера. Как только заполненный плазмой стример достигнет другого электрода, происходит искровой пробой, сопровождающийся резким увеличением тока.