Что называется электрической прочностью диэлектрика

Электрическая прочность

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью.

Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток. Проводимость вызывается комбинацией ударной ионизации и туннельного просачивания; роль каждого из этих эффектов зависит от конкретного диэлектрика.

Изменение электропроводности происходит скачкообразно и часто приводит к разрушению диэлектрика вследствие перегрева.

Прочность различных материалов

Электрическая прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния (обычно В/см) и сильно варьирует с диэлектриком:

Измерения

Электрическая прочность измеряется с помощью коротких импульсов (чтобы результаты измерений не искажались тепловым пробоем).

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Электрическая прочность» в других словарях:

электрическая прочность — электрическая прочность; отрасл. пробивная прочность; электрическая крепость; пробивная напряженность электрического поля Напряженность электрического поля при пробое или неполном пробое диэлектрика … Политехнический терминологический толковый словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — (2) … Большая политехническая энциклопедия

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — напряжённость электрич. однородного поля Епр, при к рой наступает электрический пробой в ва. У слюды, кварца и др. «хороших» диэлектриков Ёпр=106 107 В/см; в очищенных и обезгаженных жидких диэлектриках Eпр=106В/см; в газах Э. п. зависит от… … Физическая энциклопедия

электрическая прочность — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN voltage proof … Справочник технического переводчика

Электрическая прочность — 7.2 Электрическая прочность Сразу после испытания сопротивления изоляции токоведущие и доступные части должны выдержать испытание напряжением постоянного тока в течение 1 мин: а) резьбовые цоколи между доступными частями и частями резьбовых… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

электрическая прочность — минимальная напряжённость однородного электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков. * * * ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ, минимальная напряженность (см. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ) однородного… … Энциклопедический словарь

электрическая прочность — elektrinis atsparumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electric strength vok. elektrische Festigkeit, f rus. электрическая прочность, f pranc. rigidité diélectrique, f … Fizikos terminų žodynas

Электрическая прочность — напряжённость однородного электрического поля, при которой наступает Пробой диэлектриков. При определении Э. п. для исключения теплового пробоя измерения производятся, как правило, в импульсном режиме, но импульсы напряжения должны быть… … Большая советская энциклопедия

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ — св во диэлектриков, характеризуемое напряжённостью однородного электрич. поля, при к рой наступает электрич. пробой, т. е. происходит резкое, скачкообразное увеличение электрической проводимости. Э. п. важная хар ка изоляц. материалов … Большой энциклопедический политехнический словарь

Источник

Электрическая прочность диэлектриков

На рис. 7.18 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. 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_прпервого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_пр,таккак 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 E_пр=U_пр/h, где Е_пр – электрическая прочность, В/м; U_np – 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=1МВ/м=1 кВ/мм.

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_прна переменном, а также различаются значения Е_прна 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_пртвердых 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_прна образ­цах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансфор­маторном масле. На рис. 7.19 приведены формы и размеры ряда об­разцов для определения Е_пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U_пр, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 7.19, б) и цилиндрического (рис. 7.19, д) образцов.

В качестве электродов могут ипользоваться 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. 7.19, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диа­метрами (рис. 7.19, в). Однородное поле в тонких пленочных образ­цах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 7.19, г). Для определения E_пржидких диэлектриков используют специаль­ные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специ­альных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни (рис. 7.20).

Измерение U_пробразцов диэлектриков производится на испы­тательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 7.21.

Установка для измерения U_прпри частоте 50 Гц (рис. 7.21, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения на­пряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансфор­матора плавно или ступенями изменяется с помощью автотранс­форматора АТ. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3к 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.

В ходе определения Е_пр 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_пр на постоянном токе (рис. 7.21, б) в цепь вы­сокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденса­тор С_ф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополупериодной 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.

Физическая природа пробоя диэлектриков.Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах. Раз­рушительное воздействие частичных разрядов на диэлектрик обу­словлено многими факторами: окисление полимерных диэлектриков; электроны и ионы производят механическое разрушение; оксиды азота и озон химически разрушают полимер; тепловое воздействие разряда.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при температурах, когда они находятся в высокоэластичном состоянии. Под действием сил электростати­ческого притяжения, происходит механическое сдавливание диэлектри­ка, уменьшение его толщины. При достижении критической дефор­мации происходит механическое разрушение образца.

Электромеханический пробой является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые об­ласти диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее на­гретых областей. В результате в диэлектрике возникают механи­ческие напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Пробой газообразных диэлектриков.Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоко­вольтных выключателей, изоляторов линий электропередачи и дру­гих электротехнических устройств.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоля­ционными свойствами только при низких напряжениях. В сильных электрических полях, когда начинается процесс ударной иониза­ции, проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации мо­лекул или атомов различных газов изменяется от 4 до 25эВ. Та­кую энергию имеет электрон, если скорость его движения равна 1000км/с.

Пробой развивается следующим образом. Под действием внеш­него ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ио­низацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 10 5 м/с первичная электронная лавина. На пути следо­вания лавины образуется канал, состоящий из электронов и поло­жительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

В ряде случаев ускоренный полем электрон при столкновении с частицами газа передает им свою энергию, однако ионизации не происходит. Энергия затрачивается на перевод в возбужденное состояние электронов в атомах или молекулах. В последующем электроны возвращаются в невозбужденное состояние, а запасенная избыточная энергия излучается в виде кванта света, фотона. Фото­ны образуются и в результате рекомбинации электронов и ионов. Фотоны распространяются со скоростью света (3·10 8 м/с), и их энергия в некоторых случаях достаточна, чтобы произвести фотоионизацию других атомов или молекул, расположенных далеко впе­реди фронта первичной лавины. В результате появляются вторичные, образовавшиеся за счет фотоионизации электроны, которые в свою очередь начинают процесс ударной ионизации и порождают новые электронные лавины, расположенные далеко впереди фронта пер­вичной лавины.

Отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электро­ны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состо­ит из положительных ионов и его называют стримером. Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия – головки стримера – напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. В результате область близ головки стримера превраща­ется в электропроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Часть электронов рекомбинирует с ионами, по­рождая фотоизлучение, которое вызывает вторично фотоионизацию. Образующиеся фотоэлектроны рождают новые, дочерние электрон­ные лавины, и стример перемещается к катоду, а генерируемые фо­тоэлектроны втягиваются в область, занятую положительными ио­нами, превращая ее в электропроводящую плазму. Стример пере­мещается к катоду со скоростью 10 6 м/с, достигает его, и электропроводящий плаз­менный канал замыкает разрядный промежуток. В результате уда­ров положительных ионов на поверхности катода образуется катод­ное пятно, излучающее электроны, которые со скоростью 10 7 м/с распространяются по электропроводящему плазменному каналу к аноду. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как ис­кра (искровой разряд). Пробивным напряжением газа является на­пряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощ­ность источника напряжения достаточна для поддержания испаре­ния металла катода и мощного дугового разряда, то между элект­родами загорается электрическая дуга (дуговой разряд).

Для пробоя газа в однородном поле характерны зависимости электрической прочности от плотности газа и расстояния между электродами. Плотность газа прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Пробой газа в неоднородном поле отличается от пробоя в одно­родном. Неоднородное поле образуется между острием и плоско­стью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхно­стями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. В тех местах между электродами, где напряженность имеет повышенное значение, начинается ударная ионизация уже при напряжениях, меньших характерного для данного промежутка пробивного напряжения. В результате возникает и локализуется в ограниченной зоне разряд в виде короны. Такую форму разряда называют неполным пробоем газа. Ионизированная плазма является проводником и. следовательно, продолжением электрода, около которого возникает корона. Из-за этого форма электрода изменяется так, что электри­ческое поле около него выравнивается. Максимальная напряжен­ность электрического поля становится равной напряженности, ми­нимально необходимой для ударной ионизации. Поэтому корона не распространяется на весь разрядный промежуток. При повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточ­ной мощности источника – в дуговой.

Пробой жидких диэлектриков.Природа пробоя жидких диэлект­риков во многом зависит от их чистоты.

Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электро­нов в жидкий диэлектрик с катода и образования электронных ла­вин. В ходе распространения лавин возникают стримероподобные образования, которые в результате процессов фотоионизации пере­мещаются от анода к катоду со скоростью 10 5 м/с. Пробой заверша­ется, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости существенно больше плотности газа; следовательно, длина свободного пробега электро­нов, производящих ионизацию, здесь меньше. Поэтому энергию, достаточную для ионизации, элект­рон приобретает при напряжен­ности в 100 раз большей, чем в га­зах. В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микро­объемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увели­чивается, включения сливаются, образуя между электродами мо­стик, по которому проходит разряд в газе. Газы имеют малый ко­эффициент теплопроводности. Следовательно, слой газа на электро­дах образует участок с большим тепловым сопротивлением. В ре­зультате температура близ границы раздела жидкость – газ по­вышается, что приводит к вскипанию жидкости, а далее и к ее про­бою. В процессе пробоя жидкости с большим содержанием газа (га­зовые включения), которые первоначально имеют сферическую фор­му, в электрическом поле деформируются. При деформации они превращаются в эллипсоиды вращения, удлиняются и сливаются образуя сплошной газовый канал между электродами, что приводит к пробою.

В загрязненной твердыми частицами жидкости частички загряз­нений – волоконца, сажа, продукты разрушения твердой изоля­ции в электрическом поле – поляризуются, втягиваются в меж­электродное пространство и, так же как эмульсионная вода, обра­зуют между электродами сплошные цепочки с пониженным элект­рическим сопротивлением. По этим цепочкам и проходит разряд.

В жидкихдиэлектриках, содержащих воздушные включения, протекают и процессы химического разложения жидкости под дей­ствием ионизации. Такое явление называется вольтализацей жидко­сти. В качестве электроизоляционных широко используются жид­кости, состоящие из непредельных углеводородов. В ходе вольтализации таких жидкостей увеличиваются молекулярная масса и вяз­кость, выделяется водород, т.е. растет объем газовой фазы.

Про­цесс ионизации газа во включе­ниях протекает в электрических полях намного меньших Е_пр жидкости, поэтому такой вид про­боя откосят к электрохимичес­кому. Эти процессы обусловливают электрическое старение жидких диэлектриков. Время подготовки пробоя в ходе вольтализации достигает 10 5 с и более.

Величина Е_пр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попа­дает в объем между электродами. Такое уменьшение Е_пр характерно для бумаг, картонов и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным элект­рическим сопротивлением, для пори­стых керамик, где возможна иониза­ция газа в порах.

Для электротеплового пробоя ха­рактерно следующее: электрическая прочность Е_пр снижается при длительной выдержке под напряжением диэлектрик нагревается за счет диэлектрических потерь больше; при увеличении толщины уменьшается теплоотвод от образца в окружающую сре­ду. На постоянном напряжении диэлектрические потери вызываются электропроводностью и определяются электрическим сопротивле­нием образца и ростом теплоты. Для плоского конденсатора потери рассчитывают по формуле ). На переменном напряжении потери можно рассчитать по формуле:

.

Механизмы электрохимического пробоя различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

Основной причиной электрического старения полимеров явля­ются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном нанапряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают различные процессы, которые приводят к разрушению ди­электрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов – трубочек, заполненных образующимся в результате разложения полимера. Дендриты в ходе роста ветвятся и с течением времени пронизывают всю толщу диэлектри­ка, замыкая электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпок­сидных смол. Если изоляция работает в условиях повышенной влажности, то могут развиваться и водные дендриты. В слоистой изоляции на основе полимерных пленок под действием частичных разрядов происходит разрушение поверхности пленки. В результа­те уменьшения толщины уменьшается ее пробивное напряжение. Старение неорганических диэлектриков протекает более интен­сивно на постоянном напряжении.

Скорость процесса электрического старения возрастает при уве­личении напряженности электрического поля. Время τ_ж развития электрохимических процессов элек­трического старения при посто­янной температуре органических и неорганических диэлектриков можно рассчитать по эмпиричес­кой формуле , где А – постоянная, зависящая от условий старения; т — показатель, оп­ределяемый экспериментально и изменяющийся в широких преде­лах: 3—14. Время жизни уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону , где W – энергия активации процесса старения, Дж; R — постоянная Больцмана, Дж/К; Т- температура, К.

Изменение электрической прочности при облучении. Электри­ческая прочность при электрической форме пробоя не изменяется, если в материале под действием ионизирующих излучений не про­изошли необратимые физико-химические процессы деструкции ма­териала.

Ионизирующие излучения большой мощности вызывают нагрев вещества и уменьшают его теплопроводность, что снижает Е_пр при тепловом пробое диэлектрика. При облучении в диэлектрике мо­гут наблюдаться газовыделение и ионизация газа в порах. Эти про­цессы ускоряют разрушение и снижают электрическую прочность диэлектрика, как и частичные разряды, возникающие в диэлектри­ке в электрическом поле.

Глубина необратимых превращений в структуре и сопутствую­щее им снижение электрической прочности электроизоляционных материалов зависят от поглощенной дозы ионизирующих излуче­ний. Электрическая прочность деструктирующихся при облучении полимеров уменьшается при такой поглощенной дозе, когда резко ухудшаются их механические свойства. В полимерах, которые при облучении сшиваются, Е_пр уменьшается при такой поглощенной до­зе, где образец разрушается в результате нарастания хрупкости.

Поверхностный пробой. В электроизоля­ционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изо­ляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагопри­ятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона.

Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределе­ния потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности воз­никают мощные искры, под действием которых в материале могут об­разовываться проводящие каналы – треки.

Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов,

называется трекингом диэлектрика. Способность диэлект­рика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга характеризуется трекингостойкостью. Трекингостойкость опре­деляется повремени t_тр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них U_тр, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного зна­чения I_тр

Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает по­верхность неорганических диэлектриков. Однако при мощном дуго­вом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев даже фарфоровых изоляторов, а поверхность органических диэлектри­ков обугливается и на ней образуется сплошной проводящий след.

Способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств называют дугостойкостью. Дугостойкость диэлектрика на перемен­ном напряжении частоты 50 Гц определяется током дуги I_д и вре­менем t_д. При определении t_д близ поверхности плоского образца ди­электрика размещают два электрода, к которым приложено напря­жение 1000 В, и горит дуга, ток которой равен I_д. Возникающая дуга воздействует на поверхность диэлектрика, в результате чего через время t_д на поверхности образуется токопроводящая перемычка.

При разработке многих электроизоляционных изделий их поверхность конструируется такой, чтобы предотвратить при загрязнении и увлажнении образование поверхностных искровых разрядов и короны. Например, поверхность изоляторов выполняется ребристой, что удлиняет путь поверхностного разряда, а следовательно. повышает его напряжение. Ребра изолятора образуют также и уча­стки на его поверхности, защищенные от смачивания во время дождя.

Напряжение поверхностного перекрытия диэлектрика в газе может быть увеличено, если повысить давление.

Источник