Основные теоретические положения. Лабораторная работа №7

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКА

Цель работы

Изучение электрической прочности и напряжения пробоя твердых диэлектриков.

Основные теоретические положения

Пробой твердых диэлектриков

Электрическая изоляция не может выдержать неограниченно высокого напряжения. При достижении некоторого критического значения напряжения, называемого пробивным напряжением U_пр, наступает пробой, представляющий собой разрушение диэлектрика с потерей им электроизоляционных свойств. При пробое ток утечки сильно возрастает, а сопротивление снижается, и получается короткое замыкание между проводниками в месте пробоя.

Пробивное напряжение зависит от толщины изоляции h, то есть расстояния между электродами. Чем толще слой электроизоляции, тем выше пробивное напряжение. Поэтому вводится такая характеристика как способность материала противостоять пробою - электрическая прочность E_пр. Для равномерного электрического поля:

. (1)

В большинстве случаев пробивное напряжение возрастает с увеличением толщины изоляции медленнее, чем по линейному закону. В особо тонких слоях начинают сказываться неоднородности структуры и электрическая прочность уменьшается. У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т.п.) электрическая прочность уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется увеличением вероятности попадания под электроды слабых мест диэлектрика.

Для надежной работы электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции U_раб должно быть существенно меньше пробивного напряжения. Отношение называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции.

Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем жидких и, тем более, газообразных при нормальном давлении.

Различают несколько видов пробоя: чисто электрический, тепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный.

Чисто электрический или собственный пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля. Этот вид пробоя развивается практически мгновенно (~10^-8¸10^-7 с), и не обусловлен тепловой энергией. Это чисто электронный процесс, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. В неоднородных электрических полях пробивное напряжение однородного диэлектрика меньше, чем в однородных.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее критического значения, когда наблюдается заметное снижение электрической прочности. В этом случае наступает тепловой пробой, который связан с нагревом изоляции в электрическом поле. Процесс идет следующим образом. После подачи напряжения на диэлектрик в нем начинает выделяться теплота потерь, и он разогревается. Повышение температуры приводит к росту потерь, а следовательно, к еще большему разогреву. В конце концов, в диэлектрике происходят существенные изменения (расплавление, обугливание и т.п. в зависимости от природы материала), и его собственная электрическая прочность снижается настолько, что происходит пробой. Тепловой пробой может иметь локальный характер, при котором средняя температура всего объема изолятора существенно не изменяется. Таким образом, тепловой пробой существенно зависит от отвода выделяющегося в диэлектрике тепла в окружающую среду, поэтому электрическая прочность при тепловом пробое является не только характеристикой материала, но и самого изделия. Пробивное напряжение при тепловом пробое существенно зависит от времени приложения напряжения. Если это время невелико, то диэлектрик не успевает разогреться и пробой не наступает. С ростом частоты электрического напряжения и ростом окружающей температуры пробивное напряжение уменьшается.

Электромеханический пробой подготовляется механическим разрушением материала (образованием макроскопических трещин) силами электрического поля (давлением электродов).

Электрохимический пробой связан с химическим изменением материала в электрическом поле, например, прорастание металлических дендритов (древовидных кристаллитов) в результате электролиза. Этот вид пробоя возникает при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала (например, в керамике) происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением оксидов металлов переменной валентности. Развитие электрохимического пробоя требует много времени, поскольку он связан я явлением электропроводности диэлектрика. Он во многом зависит от материала электродов.

Таблица 1

Поиск по сайту: