Меню

Таблица электрической прочности диэлектриков



Электрическая прочность диэлектрика

Дата публикации: 15 марта 2015 .
Категория: Статьи.

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

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

Пробивное напряжение диэлектрика

где h – толщина диэлектрика.

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

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

Рассмотрим явление теплового пробоя.

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

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

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

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

Ячейка для измерения напряжения пробоя жидких материалов

Рисунок 1. Ячейка для измерения напряжения пробоя Uпр жидких материалов
1 – сосуд; 2 — электроды

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая
Бумага, пропитанная маслом
Воздух
Масло трансформаторное
Миканит
Мрамор
Парафин
Электрокартон сухой
Электрокартон, пропитанный маслом
Слюда мусковитая
Слюда флогопит
Стекло
Фибра
Фарфор
Шифер
Эбонит
60 – 90
100 – 250
30
50 – 180
150 – 300
35 – 55
150 – 300
80 – 100
120 – 170
1200 – 2000
600 – 1250
100 – 400
40 – 110
180 – 250
15 – 30
80 – 100

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.

Источник

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, изоляторы – газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Газообразные изоляторы.

Коронный разряд.

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 10 18 ОмЧсм. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Электрическая прочность.

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 10 12 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана [CH3 (CH2)4CH3]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Таблица: Свойства твердых диэлектриков

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Материал Электрическая прочность, кВ/см Диэлектрическая проницаемость Удельное электрическое сопротивление, 10 14 ОмЧсм
Слюда 280 5,0–7,0 2000
Стекло (разное) 200–700 3,0–12,0 10 –6 ё10 4
Метилметакрилат (люсит) 650 3,3–4,5 1
Фарфор (неглазурованный) 130 5,0–7,0 3
Эбонит 650 2,0–3,5 10 4

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10 -2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы.

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE 2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

Низковольтные конденсаторы.

Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы.

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

Читайте также:  Ягырау сагырау тартыклар таблица

Хусаинова Г.З. Электроизоляционные материалы. М., 1975
Астахин В.В. и др. Электроизоляционные лаки, пленки и волокна. М., 1986

Источник

Электрическая прочность диэлектриков

Электрическая прочность диэлектрика определяет свойство данного диэлектрика выдерживать приложенное к нему электрическое напряжение. Так, под электрической прочностью диэлектрика понимают среднее значение напряженности электрического поля Епр, при которой в диэлектрике наступает электрический пробой.

Электрический пробой диэлектрика — это явление резкого роста электропроводности данного материала под действием приложенного к нему напряжения, с последующим образованием проводящего плазменного канала .

Электрический пробой в жидкостях или газах называют еще электрическим разрядом. По сути такой разряд формируется разрядным током конденсатора, образованного электродами, к которым приложено пробивное напряжение.

В этом контексте пробивным напряжением Uпр называется такое напряжение, при котором начинается электрический пробой, и значит электрическую прочность можно найти по следующей формуле (где h – толщина пробиваемого образца):

Очевидно, пробивное напряжение в каждом конкретном случае связано с электрической прочностью рассматриваемого диэлектрика и зависит от толщины промежутка между электродами. Соответственно, с увеличением промежутка между электродами увеличивается и значение пробивного напряжения. В жидких и газообразных диэлектриках развитие разряда при пробое происходит по разному.

Электрическая прочность диэлектриков

Электрическая прочность газообразных диэлектриков

Ионизация — процесс превращения нейтрального атома в положительный или отрицательный ион.

В процессе пробоя большого промежутка в газовом диэлектрике, друг за другом следуют несколько стадий:

1. В газовом промежутке, в результате фотоионизации молекулы газа, непосредственно из металлического электрода, или случайно, появляется свободный электрон.

2. Появившийся в промежутке свободный электрон разгоняется электрическим полем, энергия электрона при этом растет, и в конце концов становится достаточной для ионизации нейтрального атома при соударении с ним. То есть происходит ударная ионизация.

3. Вследствие множества актов ударной ионизации образуется и развивается электронная лавина.

4. Образуется стример — плазменный канал, сформированный положительными ионами, которые остались после прохождения лавины электронов, и отрицательными, которые теперь втягиваются в положительно заряженную плазму.

5. Емкостный ток через стример вызывает термоионизацию, и стример преобразуется в лидер.

6. При замыкании разрядного промежутка каналом разряда происходит главный разряд.

Если разрядный промежуток достаточно мал, то процесс пробоя может закончиться уже на стадии лавинного пробоя или на стадии образования стримера — на стадии искры.

Электрическую прочность газов определяют:

Расстояние между электродами;

Давление в пробиваемом газе;

Сродство молекул газа к электрону, электроотрицательность газа.

Связь с давлением объясняется так. С ростом давления в газе, расстояния между его молекулами уменьшаются. Электрону при разгоне необходимо на длине свободного пробега, гораздо меньшей, приобрести ту же энергию, которой хватит для ионизации атома.

Данная энергия определяется скоростью электрона при соударении, а скорость развивается за счет ускорения силой, действующей на электрон со стороны электрического поля, то есть за счет его напряженности.

Кривая Пашена показывает зависимость величины пробивного напряжения Uпр в газе от произведения расстояния между электродами и давления — p*h. Например, для воздуха при p*h = 0,7 Паскаль*метр, пробивное напряжение составляет около 330 вольт. Рост пробивного напряжения левее этого значения обусловлен тем, что вероятность столкновения электрона с молекулой газа снижается.

Кривая Пашена

Сродством к электрону называется способность некоторых нейтральных молекул и атомов газов присоединять к себе дополнительные электроны, и становиться отрицательными ионами. В газах, обладающих атомами с высоким сродством к электрону, в электроотрицательных газах, электронам необходима большая энергия разгона для формирования лавины.

Электрическая прочность

Известно, что в нормальных условиях, то есть при обычных температуре и давлении, электрическая прочность воздуха в промежутке длиной 1 см составляет приблизительно 3000 В/мм, но при давлении в 0,3 МПа (в 3 раза больше обычного) электрическая прочность того же воздуха становится близкой к 10000 В/мм. Для элегаза, электроотрицательного газа, электрическая прочность в нормальных условиях составляет приблизительно 8700 В/мм. А при давлении в 0,3 МПа достигает 20000 В/мм.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков

Электрическая прочность жидких диэлектриков

Что касается жидких диэлектриков, то их электрическая прочность не связана напрямую с химическим строением. А главное, что влияет на механизм пробоя в жидкости — это очень близкое, по сравнению с газом, расположение ее молекул. В жидком диэлектрике невозможна ударная ионизация, типичная для газов.

Энергия ударной ионизации приблизительно равна 5 эВ, и если выразить эту энергию как произведение напряженности электрического поля, заряда электрона и длины свободного пробега, которая равна примерно 500 нанометров, а затем вычислить из нее электрическую прочность, то получится 10000000 В/мм, а реальная электрическая прочность для жидкостей лежит в диапазоне от 20000 до 40000 В/мм.

Электрическая прочность жидкостей в реальности зависит от количества в этих жидкостях газа. Также электрическая прочность зависит от состояния поверхностей электродов, к которым приложено напряжение. Пробой в жидкости начинается с пробоя мелких пузырьков газа.

У газа диэлектрическая проницаемость значительно ниже, поэтому напряженность в пузырьке оказывается выше, чем в окружающей его жидкости. При этом электрическая прочность у газа ниже. Разряды в пузырьках приводят к росту пузырьков, и в конце концов, в результате частичных разрядов в пузырьках происходит пробой жидкости.

Большую роль в механизме развития пробоя жидких диэлектриков играют примеси. Рассмотрим, например, трансформаторное масло. Сажа и вода, в качестве проводящих включений, снижают электрическую прочность трансформаторного масла.

Вода хоть и не смешивается обычно с маслом, но мельчайшие ее капельки в масле под действием электрического поля поляризуются, образуют цепочки повышенной, по сравнению с окружающим маслом, электропроводности, в итоге по цепочке и происходит пробой масла.

Для определения электрической прочности жидкостей, в лабораторных условиях применяют электроды в форме полусфер, радиус которых в несколько раз превышает расстояние между ними. В промежутке между электродами создается равномерное электрическое поле. Типичное расстояние — 2,5 мм.

Для трансформаторного масла пробивное напряжение не должно быть меньше 50000 вольт, и лучшие его образцы отличаются значением пробивного напряжения в 80000 вольт. При этом, вспомните, что в теории ударной ионизации это напряжение должно было бы быть 2000000 — 3000000 вольт.

Так, чтобы повысить электрическую прочность жидкого диэлектрика необходимо:

Очистить жидкость от твердых проводящих частиц, таких как уголь, сажа и т. д.;

Устранить из жидкого диэлектрика воду;

Провести дегазацию жидкости (вакуумировать);

Повысить давление в жидкости.

Электрическая прочность твердых диэлектриков

Электрическая прочность твердых диэлектриков связана с временем, в течение которого приложено пробивное напряжение. И в зависимости от времени воздействия напряжения на диэлектрик, и от физических процессов, которые в это время происходят, различают:

Электрический пробой, возникающий через доли секунд после приложения напряжения;

Тепловой пробой, возникающий через секунды или даже через часы;

Пробой вследствие частичных разрядов, время его воздействия может составлять более года.

Электрическая прочность твердых диэлектриков

Механизм пробоя твердого диэлектрика заключается в разрыве химических связей в веществе под действием приложенного напряжения, с превращением вещества в плазму. То есть можно говорить о пропорциональности между электрической прочностью твердого диэлектрика и энергией его химических связей.

Твердые диэлектрики зачастую превышают по значению электрической прочности жидкости и газы, например изоляционное стекло обладает электрической прочностью около 70000 В/мм, поливинилхлорид — 40000 В/мм, а полиэтилен 30000 В/мм.

Причина теплового пробоя кроется в разогреве диэлектрика из-за диэлектрических потерь, когда энергия потерь по мощности превосходит энергию, отводимую от диэлектрика.

С повышением температуры растет число носителей, растет проводимость, угол потерь возрастает, в связи с этим температура повышается еще больше, электрическая прочность падает. В итоге из-за разогрева диэлектрика происходящий пробой получается при напряженности более низкой, нежели без разогрева, то есть если бы пробой был чисто электрическим.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Определение электрической прочности диэлектриков

Определения

Диэлектриками называют вещества, которые плохо либо полностью не проводят электрический ток. Величина плотности в таком веществе носителей заряда (электронов) не превышает 108 штук на кубический сантиметр. Основной характеристикой электроизоляционных материалов является их способность поляризоваться во внешнем поле. К диэлектрикам относятся газообразные вещества, разные смолы, стекло, полимерные материалы. Химически чистым изолятором является вода.

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: Автоматическая частотная разгрузка — АЧР

Характеристики диэлектриков

К данной группе относятся пироэлектрики, сегнетоэлектрики, релаксоры, пьезоэлектрики. В современной технике активно используются пассивные и активные свойства таких материалов, поэтому остановимся на них подробнее.

Пассивные свойства изоляторов применяются в тех случаях, когда они используются в обычных конденсаторах.

Электроизоляционными материалами считают диэлектрики, не допускающие потери электрических зарядов. С их помощью можно отделять друг от друга электрические цепи, части приборов от проводящих частей. В таких ситуациях диэлектрическая проницаемость не имеет особой роли.

Активные (управляемые) диэлектрики — это пироэлектрики, сегнетоэлектрики, электролюминофоры, материалы для затворов и излучателей в лазерной технике.

Спрос на диэлектрические материалы ежегодно возрастает. Причиной является увеличение мощности промышленных предприятий и коммерческих учреждений.

Кроме того, повышенный спрос на диэлектрики можно объяснить увеличением числа средств связи и различных электрических приборов.

Читайте также:  Южная африка юар таблица

В технике особое значение играет электрическая прочность изоляторов, связанная с расположением молекул и атомов в кристаллической решетке.

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.

Периодичность проверок

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

Также читайте: Назначение диэлектрических перчаток в электроустановках

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.

Минеральные диэлектрические материалы

К таким соединениям относят:

  • Установочные, щелочные, ламповые, конденсаторные стекла, состоящие из смеси разных оксидов. При внесении оксидов алюминия, кальция, кремния повышается электрическая прочность материала.
  • Стеклоэмали – материалы, в которых на металлическую поверхность нанесен тонкий слой эмали.
  • Световоды, являющиеся особым видом светопроводящего стекловолокна.
  • Керамические изделия.
  • Слюда.
  • Асбест.

Несмотря на такое многообразие электроизоляционных материалов, далеко не всегда одним диэлектриком можно заменить другой.

Электрическая прочность изоляции является важным свойством, но не только на него обращают внимание при подборе таких материалов.

Особое внимание также уделяют тепловым, механическим, иным физическим и химическим свойствам, в том числе и способности к разным видам обработки, стоимости, доступности материалов.

Проверка электрической прочности изоляции осуществляется для того, чтобы в максимальной степени обеспечить безопасность функционирования приборов и устройств.

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Электроизоляционные нефтяные масла

Трансформаторное масло, применяемое для силовых трансформаторов, имеет максимальное распространение в электротехнике среди жидких изоляционных материалов. Им заполняют поры в волокнистой изоляции, расстояния между обмотками, увеличивает электрическую прочность изоляции, способствует отводу теплоты. Кроме того, трансформаторное масло активно используется в масляных выключателях высокого напряжения. В таких аппаратах между расходящимися контактами выключателя происходит разрыв электрической дуги, в результате чего канал дуги быстро охлаждается и гасится. Для получения нефтяных минеральных электроизоляционных масел используют нефть, проводя ее ступенчатую перегонку с поэтапным выделением на каждой ступени фракции и детальной очистки от примесей с помощью серной кислоты, последующей промывки и сушки.

Электрическая прочность такого масла представляет собой величину, которая весьма чувствительна к увлажнению. Даже при незначительной примеси воды в масле наблюдается существенное снижение данной физической величины. При действии электрического поля, происходит втягивание капелек эмульгированной воды в те места, в которых напряженность поля имеет максимальное значение, в результате чего и развивается пробой.

При резком понижении электрической прочности масла в нем присутствуют не только молекулы воды, но и волокнистые примеси. Они впитывают воду, что существенно сказывается на электрических характеристиках жидкого диэлектрика.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

  • Толщины изоляции;
  • Диэлектрической проницаемости;
  • Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
  • Тип диэлектрика;
  • Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

  • Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
  • Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
  • Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Кабельные масла

Их применяют в производстве электрических силовых кабелей. При пропитывании их бумажной изоляции маслами увеличивается отвод потерь тепла.

Существуют разные типы кабельных масел. Например, для пропитки силовых кабелей алюминиевых и свинцовых оболочек используют масло марки КМ-25, имеющее кинематическую вязкость не меньше 23 миллиметров в секунду, температуре застывания не больше 1000 градусов. Для того чтобы увеличить вязкость масла, к нему добавляется канифоль либо синтетический загуститель.

Прежде чем использовать диэлектрик, проводят испытание электрической прочности изоляции.

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:

Источник

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Руководство к лабораторным работам

Составители: Черняев В.В.

Руководство к лабораторным работам для студентов очного отделения специальности 140611 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» /сост. В.В.Черняев, Е.В.; Перм. гос. техн. ун-ет. – Пермь, 2009. – 16с.

Приводятся методические указания к лабораторным работам дисциплин «Электротехнические материалы».

Предназначено для студентов очной формы обучения.

Утверждено на заседании кафедры КТЭИ __________ 2009 года.

Пермский государственный технический университет, 2009

Цель работы. Изучение физической сущности явления пробоя диэлектриков и методики измерения электрической прочности Е пр газообразных, жидких и твердых диэлектриков; определение Е пр для различных диэлектриков.

Основные теоретические положения

Электрическая изоляция не может выдерживать неограниченно высокое напряжение. Если мы будем увеличивать приложенное к изоляции напряжение, то, в конце концов, произойдет пробой изоляции. При этом ток проводимости, идущий через изоляцию, чрезвычайно резко возрастет. Схематически зависимость тока через изоляцию от напряжения (вольт-амперная характеристика изоляции) может быть представлена графиком (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость тока через изоляцию от напряжения.

Точка n графика, для которой , соответствует моменту пробоя, последующее снижение напряжения объясняется уменьшением сопротивления изоляции. При пробое мы практически имеем короткое замыкание между электродами. Наибольшее напряжение U пр, которое было приложено к изоляции в момент пробоя, называется пробивным напряжением изоляции.

Дальнейшие явления, имеющие место в изоляции после пробоя, зависят от характера электроизоляционного материала и от мощности источника электрической энергии. При пробое в газообразном или жидком диэлектрике в силу подвижности частиц газа или жидкости после снятия напряжения пробитый участок диэлектрика полностью восстанавливает первоначальную величину пробивного напряжения (если мощность и длительность дуги не настолько значительны, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем объеме).

В твердом диэлектрике возникшая в месте пробоя искра или дуга может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание диэлектрика, т.е. в диэлектрике наблюдается след пробоя в виде пробитого, проплавленного, прожженного отверстия, И если вновь приложить напряжение к ранее пробитой твердой изоляции, то в большинстве случаев пробой происходит по уже пробитому ранее месту при весьма малом напряжении.

Читайте также:  План работ таблица ганта

Совершенно очевидно, что пробивное напряжение зависит от толщины: чем толще диэлектрик, тем выше его пробивное напряжение.

При одной и той же толщине слоев различные изоляционные материалы имеют различные значения пробивных напряжений.

Способность материала противостоять пробою оценивают величиной пробивной напряженности, которая в простейшем случае равномерного электрического поля в диэлектрике может быть определена по формуле

Определяя U пр в киловольтах, а h в миллиметрах мы получим единицу для Е пр= кВ/мм (измеряется также в В/см, кВ/см, МВ/см и т.п. единицах).

Величина напряженности электрического поля Е пр, при достижении которой произошел пробой диэлектрика, называется его электрической прочностью.

Величина Е пр может зависеть от различных факторов: частоты напряжения, температуры приложения напряжения и т.д. Для надежной работы любой электрической изоляции рабочее напряжение должно быть меньше пробивного. Отношение U пр / U раб или Е пр/Е раб называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции К. Среднее значение коэффициента К = 2 5. Ориентировочные значения электрической прочности некоторых диэлектриков при переменном напряжении частотой 50Гц даны в таблице 1.

Е пр, кВ/мм

Электрическая прочность газов

Пробой газа имеет электрический характер и заключается в скачкообразном повышении проводимости при достижении напряженностью поля определенной величины Е пр.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в направлении поля. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию:

где Е — напряженность поля;

q – заряд частицы;

l ср — среднее расстояние, пройденное заряженной частицей без столкновения, т.е. длина свободного пробега.

Добавочная энергия заряженных частиц передается при столкновении молекул. Если эта энергия достаточно велика, то происходит либо ионизация молекулы, т.е. ее расщепление на электрон и положительный ион, либо возбуждение, связанное с переходом электронов на более удаленную орбиту.

Возможность ионизации определится условием

причем Э = ∆Э + Э т, где Э т — тепловая энергия электрона или иона, которая при нормальной температуре обычно невелика ( Э т Е × q × l ср ≥ Э u .

Энергия ионизации Э u различных газов лежит в пределах 4 25 эВ.

Ударная ионизация начинается при определенной величине напряженности поля Е, поскольку при заданном давлении газа и заданной температуре значения q и l ср постоянны дня каждого газа. Напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Основная ионизация осуществляется электронами. Длина свободного пробега у них почти на порядок выше, чем у громоздких по размерам ионов, поэтому они набирают под действием поля большую, чем ионы, энергию.

На развитие разряда в газах влияет вторичная эмиссия электронов с катода, заключающаяся в том, что положительные ионы высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода. В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в «возбужденное состояние»: вызвать изменение в движении электронов, связанных с молекулой. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения — испускает фотон и приходит в первоначальное состояние. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Поскольку скорость излучения велика, то такая внутренняя фотонная ионизация газа приводит к быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа. Одновременно с ростом электропроводящего канала (стримера), направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинообразного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газообразную плазму. В результате этих процессов возникает пробой газа. Обычно он совершается мгновенно, длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10 -7 10 -8 с.

Зависимость электрической прочности газов от давления

Во многих случаях газы применяются в качестве изоляции при повышенном давлении, а иногда и при сильно пониженном давлении.

Увеличение прочности в этом случае объясняется следующим: при повышении давления (при неизменной температуре) плотность газа увеличивается, т.е. уменьшается среднее расстояние между молекулами газа, а поэтому уменьшается и величина l ср. Таким образом, для выполнения условия пробоя Э ≥ Э u должна быть повышена напряженность Е.

Рис. 2. Зависимость электрической прочности газа от давления.

В области глубокого вакуума при значительной величине l ср сильно уменьшается вероятность соударения заряженных частиц с молекулами разряженного газа, и влияние этого фактора превалирует (рис.2).

Зависимость Е пр от формы электродов и расстояния между ними

Пробивное напряжение газового промежутка зависит от картины электрического ноля в газовом промежутке, т.е. от формы электродов и расстояния между ними.

Наибольшее значение Е пр имеет в однородном поле. Практически равномерное электрическое поле — это поле между шаровыми электродами при расстоянии между ними значительно меньшем, чем диаметр, т.е. при . При этом пробой происходит сразу без предварительных разрядов.

С увеличением расстояния между электродами пробивное напряжение возрастает не строго пропорционально увеличению расстояния между электродами, а это означает, что Е пр с увеличением h уменьшается. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в случае однородного поля частотой 50 Гц показана на рисунке 3. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности из-за трудности формирования заряда, т.к. мала длина пробега свободных зарядов. Это явно выражено при расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега. В нормальных условиях при расстояниях между электродами 1 см E пр воздуха при частоте 50 Гц составляет 3 3,3 кВ/мм, при расстояниях меньше 1 см E пр возрастает и при h=0,0005 см достигает значения 70 кВ/мм.

Рис. 3. Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния между электродами в случае однородного поля.

В условиях резкой несимметрии поля между электродами игла -плоскость разница в величинах напряженности в различных областях поля столь велика, что ионизация не может происходить во всем промежутке одновременно. Областью ионизации будет небольшой объем поля в непосредственной близости от иглы, где напряженность наибольшая.

В этой области может возникнуть так называемый коронный разряд, который наблюдается в виде голубоватого свечения и сопровождается треском. Возникновение короны связано с затратой энергии, возрастающей при повышении напряжения, и с химическими изменениями газа в объеме, в котором имеется корона. При наличии короны в воздухе образуется озон 0 3 и окислы азота, действующие как сильные окислители на многие органические электроизоляционные материалы. При любой полярности электродов корона возникает вблизи иглы. После того как область вблизи иглы будет ионизирована настолько, что станет проводящей, зона высоких напряженностей поля переместится от поверхности иглы к границе между ионизированной и неионизированной областями.

При любой полярности электродов вокруг иглы образуется облачко положительного объемного заряда, так как положительные ионы менее подвижны.

При положительной полярности иглы облачко положительного объемного заряда как бы способствует сокращению расстояния между электродами, при этом электроны, идущие по направлению к игле, разгоняются силами притяжения их к положительному объемному заряду.

Рис. 4. Зависимость U пр газового промежутка от формы и полярности электродов.

При отрицательной полярности иглы пробивное напряжение выше, так как ионизация электронами вблизи иглы производится в условиях их торможения облачком положительного заряда (рис.4).

При расстояниях между электродами меньше 6-8 мм пробивное напряжение выше при положительной полярности иглы, так как при этом большое значение приобретает некоторое выравнивание поля вблизи иглы облачком положительного заряда. Наличие этого облачка создает эффект некоторого скругления иглы.

Электрическая прочность твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1) электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2) электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3) тепловой пробой;

4) электрохимический пробой.

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для однородного материала в зависимости от характера электрического поля, наличия в диэлектрике дефектов, условий охлаждения, времени воздействия напряжения.

Электрический пробой однородных диэлектриков развивается быстро и не обусловлен тепловой энергией. Это чисто электронный процесс, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для веществ, которые чаще всего содержат газовые включения. Он также отличается весьма быстрым развитием.

При тепловой форме пробоя основную роль играет тепло, выделяющиеся в диэлектрике под действием приложенного напряжения. Если из диэлектрика отводится тепла меньше, чем в нем выделяется, то он, естественно, разогревается. При повышении температуры проводимость диэлектрика увеличивается, что влечет за собой увеличение тока и дальнейший разогрев диэлектрика до тех пор, пока вдоль какого-либо канала между электродами не произойдет оплавление и прожигание образца.

В некоторых случаях о характере развития пробоя можно судить и по виду уже пробитой изоляции. При электротепловом пробое более велика вероятность пробоя у средней части электродов, где условия охлаждения диэлектриков наиболее трудные. Электрический пробой чаще всего возникает у краев электродов в области наибольшего сгущения силовых линий электрического поля.

Изменяя условия опыта (температуру, условия охлаждения, частоту напряжения и т.д.), можно на одном образце диэлектрика наблюдать переход из одного вида пробоя к другому.

Электрохимический пробой имеет место при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени. Большую роль в возникновении электрохимического пробоя на постоянном токе в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха играет материал электрода (например, серебро, способное диффундировать в керамику, понижает пробивное напряжение).

Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от их толщины

При увеличении толщины диэлектрика его пробивное напряжение, как правило, возрастает медленнее, чем толщина, т.е. электрическая прочность материала при возрастании толщины уменьшается (рис. 5,). При электротепловом пробое снижение Е пр при увеличении h объясняется ухудшением отвода тепла. При одной и той же величине средней напряженности удельные диэлектрические потери в первое время после включения образцов различной толщины под напряжение будут одинаковы. Однако условия отвода тепла, например, из центральной зоны диэлектрика к электроду у образца меньшей толщины будут более благоприятны, чем у образца большей толщины.

Аналогичный характер имеет зависимость Е пр от h и при чисто электрическом пробое, особенно при наличии неоднородного поля. В ряде случаев (например, у фарфора) на снижение Е пр влияет вызванное технологическими причинами пониженное качество материала в толстых слоях.

Следует отметить, что в особо тонких слоях твердых диэлектриков (лаковые пленки) вследствие неоднородности вещества может наблюдаться уменьшение Е пр, когда величина частиц неоднородностей соизмерима с толщиной диэлектрика.

Источник

Adblock
detector