Исследование электрической прочности диэлектриков

 

 

Руководство к лабораторным работам

 

 

Пермь, 2009

УДК 621.315

 

 

Составители: Черняев В.В.

Корректор:

 

    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.

 

Протокол № ______

 

 

 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.

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

 

Е_пр = U _пр /h,

откуда

U _пр = Е_пр × h

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.

Таблица 1.

Материал	Епр, кВ/мм	Примечание
Воздух	3 3,3	При h=1см соответствует амплитудному значению напряжения
Трансформаторное масло	15 25	Соответствует эффективному значению напряжения
Смолы: полиэтилен полистирол фторопласт 4 полихлорвинил	20 35   15 30
Бумага конденсаторная: непропитанная пропитанная	10 80
Слюда, стекло	100 300
Керамика плотная	10 30
Керамика пористая	2,5 3

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:

∆Э = Е × q × l _ср ,

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

Э ≥ Э _u,

причем Э = ∆Э + Э_т, где Э_т - тепловая энергия электрона или иона, которая при нормальной температуре обычно невелика (Э_т << ∆Э). Поэтому можно считать, что для ионизации необходимо выполнение равенства

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^-8с.

 

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 0₃ 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.

 

                                       а                                                                      б

 

Рис. 5. Зависимость Е_пр твердого диэлектрика от его толщины (число слоев): а – для однослойного диэлектрика; б- для многослойного бумажного диэлектрика.

 

То же наблюдается и в бумажном слоистом диэлектрике, где применение одного слоя практически нецелесообразно. При использовании двух слоев вероятность попадания слабых мест уменьшается, соответственно повышается электрическая прочность. Повышение электрической прочности сувеличением числа слоев происходит до некоторого определенного критического значения n _кр (рис. 5,б). При дальнейшем увеличении числа слоев Е_пр уменьшается. Зависимость Е_пр = f (n) имеет практическое значение при выборе оптимального количества слоев многослойного бумажного диэлектрика.

 

Пробой жидких диэлектриков

 

Наибольшее применение в электроизоляционной технике из числа жидких диэлектриков находят нефтяные электроизоляционные масла: трансформаторное, конденсаторное, кабельные. По своему химическому составу они представляют собой смеси различных углеводородов и являются нейтральными или слабо полярными диэлектриками. Применяются они в электрической изоляции, уже очищенные от воды, продуктов окислительного старения и других загрязнений. Наиболее важным фактором, влияющим на электрическую прочность электроизоляционных масел, является наличие в масле загрязнений и, в первую очередь, воды, находящейся в состоянии эмульсии, т.е. в виде чрезвычайно мелких капелек, взвешенных в масле. Влияние примеси эмульсионной воды на электрическую прочность масла иллюстрирует рис. 6. Как видно из рисунка, примесь уже0,01% воды сильно понижает электрическую прочность масла. Масло с таким содержанием воды непригодно для заливки в силовые трансформаторы высокого напряжения.

 

Рис. 6. Влияние примеси эмульсионной воды на пробивное напряжение слоя масла толщиной 2,5 мм.

 

Столь сильно выраженная зависимость электрической прочности масла от содержания весьма малых количеств вода объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость воды (около 80) значительно боль­ше, чем масла. Под влиянием сил электрического поля капельки воды, присутствующей в масле в виде эмульсии, приобретают удлиненную (в направлении силовых линий) форму, разбиваются на более мелкие капельки, образуют цепочки и втягиваются в те места, где сила поля особенно велика, т.е. к краям электродов, а как раз эти-то места и являются очагами развития пробоя масла.

    Еще резче понижается электрическая прочность масла, если кроме воды в нем имеются волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи и т.п. более гироскопичны, чем масло. Они жадно впитывают в себя воду и становятся при этом полупроводящими, причем значительно возрастает их диэлектрическая проницаемость, и под действием сил электрического поля они не только втягиваются в места, где поле наиболее сильно, но и становятся по направлению сил поля (подобно иглам, притягиваемым полюсами магнита), что весьма облегчает пробой масла.

    Влияние температуры на электрическую прочность жидких диэлектриков практического значения не имеет. Изменение электрической прочности с температурой связано главным образом с изменением формы содержания примесей воды. На электрическую прочность дегазированного жидкого диэлектрика изменение давления практически не влияет.

    В тонких слоях электрическая прочность жидких диэлектриков существенно повышается.

 

Устройство установки

 

    Электрическая прочность диэлектриков определяется на аппарате испытательном типа АИД-70/50 (далее по тексту - аппарат) обладающем следующими характеристиками:

1. Напряжение питающей сети однофазного переменного тока, В     220±11

2. Параметры аппарата на постоянном напряжении:

· наибольшее рабочее напряжение, кВ,                                                  70

· максимальный рабочий ток, мА,                                                          12

3. Параметры аппарата на переменном напряжении:

· наибольшее рабочее напряжение (действующее значение), кВ,       50

· максимальный рабочий ток (действующее значение), мА,               20

 

Аппарат состоит из двух переносных блоков, соединенных кабелем: блока высокого напряжения (БВН) и блока управления (БУ).

БВН включает в себя: высоковольтный трансформатор, высоковольтный выключатель, высоковольтные резисторы, выпрямительные столбы, помещенные в бак, заполненный трансформаторным маслом. Испытательное напряжение из бака выводится через проходной высоковольтный изолятор, к которому подсоединяется испытываемый объект. Под кожухом БВН находится электромагнит заземлителя, конденсаторы и разрядники.

БУ (рис. 7) включает в себя регулятор испытательного напряжения, разъемы для присоединения сетевого кабеля и кабелей БВН, предохранители, пускатели и др. элементы электрической схемы. На лицевой панели БУ расположены измерительные приборы, сигнальные лампы, ручка регулятора напряжения, кнопка переключения чувствительности миллиамперметра, кнопки включения и отключения испытательного напряжения, тумблер переключения градуировки киловольтметра при работе на выпрямленном напряжении, переключатель вида испытательного напряжения и включения аппарата в сеть.

Принципиальная схема аппарата представлена на рис. 8.

 

 

 

1 – миллиамперметр

2 – ручка регулятора испытательного напряжения

3 – киловольтметр

4 – красная сигнальная лампа (включение испытательного напряжения)

5 – зеленая сигнальная лампа (включение сети)

6 – переключатель со спецключом для переключения вида испытательного напряжения и для включения аппарата в сеть

7 – кнопка включения испытательного напряжения

8 – кнопка выключения испытательного напряжения

9 – кнопка переключения градуировки киловольтметра

10 – кнопка переключения пределов измерения миллиамперметра

 

Рис. 7. Внешний вид блока управления

 

 

БК – блокировочные контакты

ЛК – лампа красная

ЛЗ – лампа зеленая

Тр1 – регулятор напряжения

Тр2 – высоковольтный трансформатор

В – выпрямительное устройство

R_огр – токоограничивающее сопротивление

 

Рис. 8. Схема аппарата АИД-70/50

 

Порядок проведения работы

 

1. Ознакомиться с аппаратом АИД-70/50.

2. Собрать схему для работы на постоянном напряжении.

3. Подключить к аппарату шаровые разрядники;

4. Установить разрядники так, чтобы момент их касания соответствовал нулю на шкале расстояний.

5. Раздвинуть разрядники на нужное расстояние.

6. Закрыть входную дверь высоковольтной ячейки.

7. Вывести регулятор высокого напряжения «2» блока управления в нуль.

8. Перед включением установки в сеть подать звуковой сигнал.

Внимание. Работать на установке обязательно в диэлектрических перчатках на диэлектрическом коврике.

 

9. В присутствии преподавателя включить блок управления в сеть.

10. При помощи автоматического выключателя подать питание к блоку розеток. Над дверью испытательной ячейки должна загореться зеленая лампа.

11. Включить контактор подачи напряжения на высоковольтный трансформатор, нажав на зеленую кнопку «I» расположенную рядом с автоматическим выключателем. Над дверью испытательной ячейки должна загореться красная лампа.

12. Поворотом ключа «6» блока управления (БУ) выбрать постоянное напряжение. При этом загорается зеленая лампочка «5» БУ.

13. Нажать кнопку включения испытательного напряжения «7» БУ. При этом загорается красная лампочка «4» БУ.

14. Медленно вращая ручку регулятора напряжения по часовой стрелке, повысить напряжение до пробоя. В момент пробоя видна искра, а автомат отключает высокое напряжение.

    Отсчет напряжения при работе установки на постоянном токе ведется по шкале киловольтметра, отградуированной в киловольтах максимальных. При работе на переменном токе отсчет следует вести по шкале, отградуированной в киловольтах эффективных.

15. Записать в таблицу величину пробивного напряжения и вывести регулятор высокого напряжения «2» БУ в нуль.

16. Установить следующие расстояния между электродами или другой образец и т.д.

17. Один из шаровых разрядников заменить на электрод в форме иглы; последующие действия произвести начиная с 4 пункта.

18. Поменять местами шаровой разрядник и иглу (произведя, таким образом, смену полярности в паре «игла-шар»). Повторить замеры, начиная с 4-го пункта.

Примерные задания

 

I. Определить зависимость пробивного напряжения U _пр воздушного промежутка от расстояния между электродами шар - шар; игла «+», шар «-»; игла «-», шар «+». Расстояния между электродами выбирать таким образом, чтобы для каждой пары электродов получить не менее 6-7 точек. Начальное расстояние между электродами: шар-шар - 5мм, игла-шар - 10мм.

 

 

Результаты измерений записать в табл. 1.

Таблица 1

Электроды	h, мм	U пр, кВ	E пр, кВ/мм
Шар-Шар
Игла «-», шар «+»
Игла «+», шар «-»

 

По полученным данным построить графики зависимостей Е_пр= f (h); U _пр = f (h).

 

Содержание отчета

 

1. Цель работы.

2. Таблицы измеренных и вычисленных величин.

3. Графики снятых зависимостей.

4. Сравнительная оценка экспериментальных данных со справочными характеристиками исследованных материалов.

5. Схема установки.

6. Выводы о проделанной работе.

 

Вопросы для самопроверки

1. Физические основы явления пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

2. Влияние формы электродов на величину Е _пр.

3. Зависимость Е _пр от величины воздушного промежутка между электродами.

4. Влияние структуры материала на величину Е _пр.

5. Как изменится электрическая прочность диэлектрика при увеличении размеров прилегающих к нему электродов и почему?

                             

Список литературы

 

1. Богородищшй Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Д.: Энергия, 1983.

2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. - М.: Энергия, 1972.

3. Пасынков В.В., Тареев Б.М., Корищий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам. - М.: Энергия, 1974, т.1,2,3.