Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 12 )

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается лавина. Электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, возбуждая упругие колебания кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов, и стационарное состояние нарушается, т. е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

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 структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества. Такое удается наблюдать для монокристаллов щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров, в этом случае электрическая прочность достигает 1000 МВ/м и более.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических диэлектриков, которые чаще всего содержат газовые включения. Так же как и электрический пробой однородного диэлектрика, он отличается весьма быстрым развитием.

Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, наблюдающиеся во внешнем однородном или неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

Принято считать, что в однородном поле электрическая прочность стекол, фарфора и ряда других твердых диэлектриков не зависит от толщины образца. Однако основные работы по изучению влияния степени однородности поля на электрическую прочность проводились лишь со стеклом при очень малых толщинах образцов - от 0,05 до 0,5 мм, когда число дефектов невелико. Имеющиеся данные показывают, что с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижаются электрические прочности как в однородном, так и в неоднородном поле.

Иногда на опыте можно наблюдать, что электрическая прочность керамики при электродах, создающих внешнее неоднородное поле, будет даже выше, чем при электродах, обеспечивающих однородное поле. Так, электрическая прочность образцов рутиловой керамики толщиной от 1,6 до 1,7 мм при постоянном напряжении в случае электродов игла - плоскость составляет примерно 24 МВ/М, а при плоских электродах - всего от 12,5 до 15 МВ/м.

Из этого следует, что чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности керамических материалов вследствие уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля, хотя поле в этом случае резко неоднородное. Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается не только у керамики, но и у ряда других материалов: бумаги, картона, лакотканей и пр.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью; к таким диэлектрикам относятся мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика. Электрическая прочность их сравнительно мало отличается от таковой для воздуха, исключение составляет бумага с повышенной плотностью.

Твердые диэлектрики с закрытыми порами, например, плотная керамика, характеризуются более высокой электрической прочностью. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений. К ним относятся слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла.

Значения электрической прочности некоторых твердых диэлектриков приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Значения электрической прочности некоторых твердых

диэлектриков в однородном поле при частоте 50 Гц

Материал	Епр. действ., МВ/м	Особенности структуры
Стекло	100-300	Однородные плотные диэлектрики и слоистые, если поле перпендикулярно слоям
Каменная соль	100-150
Слюда	100-300
Пропитанная бумага	100-300
Органические пленки (полистирол, триацетат целлюлозы)	90-120
Керамика	10-30	Неоднородные по структуре диэлектрики с закрытыми или сообщающимися между собой капиллярами
Микалекс	10-15
Пластические массы с наполнителем (фенолформальдегидные, аминопласты)	10-15
Мрамор	4-5	Диэлектрики с открытыми крупными порами
Пористая керамика	1,5-2,5
Дерево	4-6
Непропитанная кабельная бумага	7-10

5.5 Тепловой и электрохимический пробой твердых

диэлектриков

Электротепловой (сокращенно тепловой) пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя должны приниматься во внимание тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание тангенса угла диэлектрических потерь уже при нагреве выше 20…30°С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение тангенса угла диэлектрических потерь которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150…200°С. В последнем случае тепловой пробой сможет развиваться только при достижении этих температур.

Температура нагрева изолятора в электрическом поле высокого напряжения устанавливается тогда, когда тепловыделение оказывается равным теплоотдаче в окружающую среду. В большинстве случаев теплоотвод обусловливается конвекцией воздуха. Таковы условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место для кабелей, вводов, вмонтированных в стены. Обычно при расчете изоляторов выбирают такое рабочее напряжение, соответствующее установившейся температуре, чтобы температура нагрева не превосходила некоторого заданного значения, опасного с точки зрения нагревостойкости диэлектрика.

С увеличением приложенного к изолятору напряжения возрастает реактивная мощность, вызывающая рост тепловыделения и нагрев изолятора.

Для того чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что всё изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при заданной температуре с поверхности изолятора:

(5.9)

где U - напряжение, В;

U2Cωtgδ - реактивная мощность, В×А;

ω - угловая частота, с-1;

С - емкость изолятора, Ф;

tgδ - тангенс угла потерь при рабочей температуре;

σ - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

S - поверхность изолятора, м2;

tраб и t0 - температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Формула (5.9) позволяет с достаточной точностью рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия, например для керамических конденсаторов.

На рисунке 5.4 кривая 1 представляет собой зависимость активной мощности Ра, выделяющейся в изоляторе за счет диэлектрических потерь, от температуры; форма кривой определяется температурной зависимостью тангенса угла диэлектрических потерь. Эту кривую можно рассматривать как зависимость tgδ=f(t) в масштабе реактивной мощности изолятора при данном напряжении U1 и частоте ω. Это справедливо, если считать, что диэлектрическая проницаемость материала или, точнее, емкость изолятора не изменяется с температурой, что можно принять для практических расчетов. Прямая 3 представляет собой зависимость теплоотдачи с поверхности изолятора от температуры. Тангенс угла наклона этой прямой равен произведению поверхности изолятора на коэффициент теплоотдачи. Прямая 3 пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей температуре окружающей среды t0.

В общем случае кривая 1 имеет две точки пересечения с пря - мой 3 - при так называемой рабочей температуре (t1раб) и температуре критической (t1кр). Диэлектрик, находящийся при определенном напряжении U1, нагревается за счет диэлектрических потерь; окончательно установившаяся температура его нагрева должна быть t1раб. Однако в условиях использования изолятора возможен дополнительный нагрев его за счет постороннего случайного источника тепла, например солнечных лучей и т. и. Если нагрев за счет посторонних источников тепла сделает температуру изолятора выше критической, то, как видно из рисунка 5.4, тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика настолько увеличится, что выделяемая мощность превысит отводимое количество тепла. Температура изолятора начнет возрастать вплоть до полного разрушения его. Кривая 2 представляет собой зависимость, лежащую на пороге электрической прочности изолятора при тепловом пробое.