Тепловий пробій твердих діелектриків

Досить тривалий вплив напруги викликає виділення тепла всередині діелектрика, що призводить до зниження пробивної напруги. Таке явище називається тепловим пробоєм.
Через діелектрик під дією змінної напруги протікає ємнісний струм (струм зміщення) / с і активний струм / а, обумовлений діелектричними втратами. Ставлення / а // з = tg6 - коефіцієнт діелектричних втрат ізоляції. У газових ізоляціях при докоронних напружених tg б практично дорівнює нулю. Для твердих і рідких діелектриків tg б знаходиться в межах 0,01 - 0,03 (при 7, = 20 ° С). З ростом температури tg б збільшується, а пробивна напруга знижується.
На відміну від електричного пробою тепловий пробій є проявом температурної нестійкості на молекулярному рівні.
Величина tg6 є основним показником електричної міцності діелектрика щодо теплового пробою. При зволоженні діелектрика tg6 різко підвищується. Тому зволоження є найбільш імовірною причиною теплового пробою. У міру підвищення температури знижується пробивна напруга, проте така залежність існує і при електричному пробої.
Основною особливістю теплового пробою є повільний розвиток, так як цей процес розвивається в міру розігріву діелектрика під дією прикладеної напруги. Зі збільшенням напруги вище пробивної час пробою знижується, але навіть в гірших умовах відбувається протягом декількох хвилин. При напрузі, близькій до пробивному, розвиток пробою відбувається протягом години. Як правило, тепловий пробій виникає в області, в якій погано відводиться тепло. Електричний ж пробою виникає в області максимальної напруженості поля на краях електродів.
Слід зазначити, що тепловий пробій, так само як і електричний, має електричну природу. Відбувається тепловий пробій, коли температура діелектрика досягає значення, при якому в ньому утворюється електропровідний канал.

Тепловий пробій в каналі високої провідності.

При наявності в ізоляції дефектів можливе утворення в діелектрику каналів з підвищеною провідністю. Виділяється в цьому каналі тепло створює тепловий потік. Зі збільшенням різниці температур в каналі і іншому діелектрику буде рости провідність каналу і відповідно виділяється при цьому потужність. Якщо прикладена до діелектрика напруга вище пробивної, то температура всередині каналу буде швидко рости і протягом дуже малого відрізка часу відбудеться пробій.

Пробій рідких діелектриків має багато спільного з пробоєм в газах. З катода під дією прикладеної напруги виділяються електрони і кількість їх зростає за рахунок ударної іонізації нейтральних молекул. Спотворення електричного поля викликає появу вторинних електронів і розвиток самостійних розрядів у вигляді стримеров.
Під дією прикладеної напруги розчинений в рідкому діелектрику газ (при тиску близько 10,1 МПа трансформаторне масло містить близько 10% повітря) збирається в маленькі пляшечки. Таким чином, рідкі діелектрики складаються з двох фаз - рідкої і газоподібної. Шлях розряду включає як рідку, так і газоподібну фази, що сприяє його більш швидкому розвитку.
В ізоляційних рідинах коронний розряд має форму нестійкого стримера.
У трансформаторному маслі коронний розряд не впливає на якість самого масла, але в разі пошкодження твердої органічної ізоляції може статися різке зниження електричної міцності всієї ізоляційної конструкції.
При перетині стримером всього ізоляційного проміжку відбувається іскровий розряд. Температура в провідному каналі різко підвищується, утворюється плазма. Рідина навколо каналу надає на нього деіонізірующее дію. Тому якщо пробій стався під дією короткого імпульсу, то можливість переходу імпульсного розряду в стійку дугу мала і в ізоляційному проміжку майже відновлюється первісна електрична міцність. Бульбашки газу і частинки вугілля поступово розсіюються у всьому обсязі масла і не викликають значного зниження електричної міцності останнього. Але при забрудненнях і особливо при зволоженні електрична міцність масла різко падає. Під дією електричного поля забруднення і крапельки вологи утворюють ланцюжки вздовж силових ліній поля. Уздовж цих ланцюжків розрядна напруга різко знижується.
У трансформаторних маслах вода може міститися в трьох станах: молярно-розчиненому; в формі емульсії (краплі діаметром близько 10 мкм) і у вигляді відстою на дні ємності з маслом. Поки вода знаходиться в розчиненому стані вона практично не впливає на пробивну напругу. Але при зміні температури розчинена вода може перейти в водну емульсію і тоді пробивна напруга різко впаде.
Вода у вигляді відстою теж не впливає на електричну міцність масла. Однак при підвищенні температури відстій переходить у водну емульсію, тому водний відстій з ємності з трансформаторним маслом необхідно зливати. При зволоженні трансформаторного масла пробивна напруга падає ще значніше, якщо воно забруднене органічними волокнами, які дуже гігроскопічні і під дією електричного поля утворюють провідні ланцюжки між електродами.
Розрядна напруга в значній мірі залежить від часу прикладення напруги.

Мал. 14. Типова залежність електричної міцності трансформаторного масла від процентного вмісту в ньому вологи
У рідинах, як і в газах, якщо підйом розрядної напруги відбувається в часі, меншому ніж 10 мкс, стример не встигає розвинутися. Значне зниження пробивної напруги Unp відбувається при часу прикладення напруги, більшому ніж 0,01 с. Тому при грозових імпульсах домішки, в тому числі і волога, практично не знижують електричної міцності трансформаторного масла.

Мал. 15. Залежність середнього пробивної напруги технічно чистого трансформаторного масла від відстані між електродами стрижень - площина:
1 - імпульсна хвиля 1.5 / 4 мкс негативної полярності. 2 той же позитивної полярності; 3 - плавний підйом напруги промислової частоти, 4 - одному - Нутной вплив напруги промислової частоти
Розрядна напруга в значній мірі залежить від довжини проміжку між електродами, причому при позитивній полярності розрядна напруга нижче, ніж при негативній. Це пояснюється тим, що в рідинах позитивні і негативні стримери розвиваються так само, як і в газах. Розряд відбувається в напівперіод позитивної полярності. Для рідких діелектриків характерний значний розкид пробивних напруг щодо середнього значення. Це в значній мірі пояснюється хаотичним характером процесу побудови частинок домішок в ланцюжки вздовж силових ліній електричного поля. Чим більше забруднене масло, тим більше і розкид пробивної напруги. Так, наприклад, неочищена трансформаторне масло має розкид £ пр = 30- ^ 50%, в очищеному маслі розкид £ пр скорочується до 5-10%. Таким чином, розкид є показником чистоти трансформаторного масла.
При поганому відводі тепла в рідких діелектриках, так само, як і в твердих можливий тепловий пробій. Але якщо циркуляція масла забезпечена, то можливість теплової форми пробою виключається.