Пробой диэлектриков. Элементарные процессы при разряде в газе. Электрическая прочность электроизоляционных материалов. Основные виды пробоя

Тема 5

Пробой диэлектриков

Основные обозначения:

U_{пр. имп}  – пробивное импульсное напряжение

U_{пр. дл.} – пробивное напряжение при длительном приложении

K_имп. – коэффициент импульса

Е_пр. – электрическая прочность

g_а – удельная активная проводимость

Q – количество теплоты

T_о – температура окружающей среды

T – температура электроизоляционного материала

P – мощность рассеивания в диэлектрике, давление

¦– частота

a– температурный коэффициент удельной проводимости

r– площадь электродов

d– толщина диэлектрика

s– коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду

g_т – удельная теплопроводность

U_пр – пробивное напряжение

P_т – мощность, отводимая от диэлектрика

tgd_o – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды

e– относительная диэлектрическая проницаемость

We- энергия электронов

Wu- энергия ионизации

λ - удельное число столкновений электронов на единице длины

z- число столкновений электронов на единице длины

h- постоянная Планка

δ - относительная плотность

m- масса частицы

V- скорость

K- постоянная Больцмана

υ - частота

k– числовой коэффициент.

5. Пробой диэлектриков

Пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности электрической изоляции под действием вешнего электрического поля.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои изоляционные свойства, если напряженность поля превысит критическое значение; при этом ток утечки через изоляцию резко возрастает, а сопротивление изоляции снижается, возникает практически короткое замыкание между электродами, подключенными к источнику напряжения. Процесс образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля определяется как пробой. Минимальное, приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее его к пробою, определяется как пробивное напряжение U_пр, а максимальное значение выдерживаемой напряженности Епр электрической прочностью.

Диэлектрик  может частично терять свои изоляционные свойства. В этом случае разряд не будет сквозным (например: корона, тлеющий разряд).

5.1. Элементарные процессы при разряде в газе

В нормальном состоянии газ (воздух) не нейтрален. Космическое излучение и радиоактивное излучение Земли  продуцирует в газе (воздухе) заряженные частицы: е, U⁺, U^–. У поверхности Земли их концентрация составляет в среднем  nu+ ≈ 750 (1/см³) ,  nu- ≈ 650 (1/см³) (стационарное состояние).

В электрическом поле движение частиц приобретает направленный характер. Поэтому можно говорить о λ=1/z, где z – число столкновений е на единицу длины,λ- длинна свободного пробега частиц.

Многократно сталкиваясь (теряя энергию) в процессе ускорения за счет напряженности, электрон накапливает некоторую энергию We и E при Р,Т = const. Возникает новое стационарное состояние. Если величины давления и температуры отличны от нормальных значений, то

После подстановки значений Р0 и Т0 получим значение относительной плотности

Если наблюдается увеличение напряженности поля, то может оказаться, что We ≥ Wu , в частности для кислорода величина, при которой начинается ионизация E/P=20(B·см/мм·рт.ст)

Дальнейшее явление, имеющее место в изоляции после пробоя определяются как характером электроизоляционного материала, так и мощностью источника электрической энергии. В месте пробоя возникает искра или даже дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание диэлектрика. После снятия напряжения, в этом месте пробоя может быть обнаружено проплавленное или прожженное отверстие. Если повторно приложить напряжение к месту пробоя твердой изоляции, ранее подвергавшейся пробою, происходит повторный пробой по месту прежнего пробоя, но при более низком напряжении.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробивной участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства.

Потеря электроизоляционной способности может быть обратимой, как это бывает в газообразных и жидких электроизоляционных материалах, или необратимые в случае твердых изоляционных материалов. В некоторых случаях можно добиться того, чтобы и у твердых электроизоляционных материалов пробой был обратимым.  В этом случае говорят о самозалечивании изоляции.

С физической точки зрения пробой представляет собой всегда неконтролируемое повышение электрической проводимости изоляции, которое могут вызывать процессы различного характера, например, ударная ионизация, чрезмерный нагрев, старение.

Пробой изоляции представляет собой одно из серьезнейших повреждений электротехнического оборудования и часто имеет следствием невозможность его дальнейшей эксплуатации. Он относится к аварийным повреждениям, которые являются решающим фактором для расчета надежности при эксплуатации электротехнического оборудования.