Електрична міцність діелектриків

6.1. Основні розрахункові вирази
і необхідні пояснення

Електричною міцністю (Eпр) називається середня напруженість електричного поля, при якій відбувається електричний пробій ізоляційного проміжку. Напруга, при якому відбувається електричний пробій, називають «пробивним напругою» (Uпр).

де h - товщина діелектрика (ізоляційний проміжок між електродами, розрядний проміжок).

Пробивна напруга залежить від розміру розрядного проміжку. При збільшенні проміжку пробивна напруга зростає, а електрична міцність знижується.

Електричним пробоєм діелектрика називають стрибкоподібне збільшення електропровідності матеріалу при впливі високої напруги, аж до утворення електропровідного плазмового каналу. Явище електричного пробою в газах або рідинах часто називають «електричним розрядом», що говорить про розряд ємності через цей канал.

Механізми розвитку розряду в газоподібних, рідких і твердих діелектриках різні.

При електричному пробої великого газового проміжку послідовно розвиваються такі явища.

I. Поява вільного електрона в газовому проміжку (випадкового, з металевого електрода, в результаті фотоіонізації молекули газу і т. П.).

II. Розгін вільного електрона електричним полем до енергії, достатньої для того, щоб при зіткненні з нейтральним атомом іонізувати останній (ударна іонізація).

III. Розвиток електронної лавини як наслідок множинних актів ударної іонізації.

IV. Зростання стримера - проводить плазмового каналу, який формується з позитивних іонів, що залишилися після проходження лавини, і негативних зарядів, втягується в позитивну плазму.

V. Перетворення стримера в лідер за рахунок термоіонізації, спричиненої проходженням ємнісного струму по стримеру.

VI. Головний розряд відбувається при замиканні каналом розряду розрядного проміжку.

При малих проміжках процес пробою може завершитися на стадіях III (лавинний пробій) і IV (стримерний пробою, іскра).

Електрична міцність газів залежить:

А) від тиску. При збільшенні тиску зменшуються відстані між молекулами. Розганяється електрону необхідно на більш короткому шляху розгону (званого довжиною вільного пробігу) отримати ту ж енергію, достатню для іонізації атома. Ця енергія визначається в першу чергу кінцевої (в момент зіткнення) швидкістю електрона. Більшого прискорення електрон може досягти за рахунок збільшення діючої на нього сили - напруженості електричного поля. Експериментальна залежність пробивної напруги газового проміжку від твору тиску р на величину проміжку h називається законом Пашена. Мінімальне значення пробивної напруги для повітря при ph = 0,7 Па · м становить приблизно 330 В. Лівіше зазначеного значення ph електрична міцність зростає через малу ймовірність зіткнення електронів з молекулами газу.); крива Пашена представлена ​​на рис. 6.1

Тут передбачається тиск p0 = 101,3 кПа, температура T0 = 293 К.

При зміні температури і тиску попередня формула модифікується:

Б) від спорідненості молекули газу до електрону, електронегативності газу. (Спорідненість до електрону - це здатність деяких нейтральних атомів і молекул приєднувати додаткові електрони, перетворюючись в негативні іони. В електронегативний газах, що складаються з атомів з високою спорідненістю до електрону, потрібно бльшая енергія розгону електронів полем для освіти електронної лавини.)

Електрична міцність рідкого діелектрика не пов'язана безпосередньо з хімічною будовою рідин. Через близького розташування молекул в рідкому діелектрику механізм ударної іонізації не реалізується.

На значення електричної міцності впливають в першу чергу кількість газу в рідині, стан і площа поверхні елект-пологів.

Електричний пробій рідкого діелектрика починається, як правило, з пробою мікроскопічних газових бульбашок. Через низьку діелектричної проникності газу напруженість в бульбашці вище, ніж в рідині, а електрична міцність газу нижче.

Часткові розряди в бульбашках призводять до зростання останніх, що в підсумку завершується пробоєм рідкого діелектрика.

Електрична міцність рідкого діелектрика підвищується:

- при очищенні від твердих проводять мікрочастинок (сажа, вугілля
і т.п.);

- сушінні рідини (видаленні води);

- дегазації рідини (вакууммірованія);

- підвищенні тиску Р.

де постійна M залежить від сорту рідини і має розмірність МВ / см. У цьому виразі тривалість імпульсу # 964; слід підставляти в мікросекундах, тиск - в атм. а площа електродів S - в см 2. Постійна М становить 0,7 МВ / см для гексана і трансформаторного масла, 0,6 МВ / см - для гліцерину, 0,5 МВ / см - для етилового спирту, 0,6 МВ / см - для води (в разі пробою з катода) і 0,3 МВ / см (в разі пробою з анода).

Механізми пробою твердих діелектриків залежать від часу впливу напруги (з моменту подачі до пробою), що визначає фізичні процеси, що відбуваються при цьому впливі. розрізняють:

- електричний пробій (час впливу - частки секунди);

- тепловий пробій (час впливу від секунд до годин);

- пробою під дією часткових розрядів (час впливу від декількох годин до року і більше).

При електричному пробої твердого діелектрика під дією прикладеної напруги розриваються хімічні зв'язки, і речовина переробляється в плазму. Електрична міцність твердого діелектрика пропорційна енергії хімічних зв'язків.

Причиною теплового пробою є розігрів діелектрика, найчастіше за рахунок діелектричних втрат, коли потужність втрат перевищує потужність, що відводиться від діелектрика.

При підвищенні температури збільшуються електропровідність (за рахунок збільшення числа носіїв) і кут діелектричних втрат, що призводить до додаткового зростання енерговиділення і зниження електричної міцності.

Частковим розрядом (ЧР) називають розряд, що проходить в будь-якої обмеженої області ізоляційного проміжку і не замикає весь проміжок. Одним із прикладів часткового розряду є коронний розряд в газах в нерівномірному електричному полі, коли стримером пробивається лише область поблизу електрода з напруженістю поля вище електричної міцності газу (наприклад,
у дроти високовольтної лінії електропередачі). У твердих тілах
ЧР - це локальний многолавінний розряд у газовій порі діелект-ріка.

Для виникнення часткового розряду в твердому діелектрику необхідні дві умови:

- наявність повітряного включення, напруженість поля в якому вище, ніж в самому діелектрику;

- напруга, прикладена до діелектрика, має бути достатнім для того, щоб напруженість поля в повітряному включенні перевищила пробивну.

При змінному полі, прикладеному до діелектрика, часткові розряди виникають на кожному напівперіод при досягненні напругою пробивної значення. Тривалі періодичні ЧР хімічно руйнують діелектрик, збільшують діелектричні втрати, що в кінцевому підсумку призводить до пробою діелектрика.

Для визначення напруженості поля, ізоляції коаксіального кабелю можна використовувати вираз

де r - відстань від осі кабелю до точки в ізоляції; r2 - радіус зовнішнього електрода; r1 - радіус внутрішнього електрода.