Общие сведения. Механизм пробоя твёрдых электроизоляционных материалов определяется структурой

Механизм пробоя твёрдых электроизоляционных материалов определяется структурой вещества, температурой его нагрева, длительностью воздействия напряжения и свойствами окружающей среды. Различают три формы пробоя твёрдых ЭИМ: 1) электрическую

2) тепловую

3) электрохимическую.

Электрический пробой возможен только при весьма сильных электрических полях, возникающих при воздействии на изоляцию импульсных перенапряжений. Он связан с развитием электронной лавины вследствие ударной ионизации. Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь.

Наиболее частым видом пробоя твёрдого тела является тепловой про-бой, проявляющийся при неудовлетворительном теплоотводе и при воздействии постоянного или низкочастотного переменного напряжения. Основные положения тепловой теории пробоя сводятся к следующему. При приложении к твёрдому ЭИМ высокого напряжения в нем выделяется некоторое количество тепла. Его источниками служат ток проводимости, дипольные потери и потери энергии на абсорбцию. Если количество тепла, выделяемое внутри материала, будет больше количества тепла, отводимого в окружающую среду, то температура ЭИМ начинает повышаться. Разогрев материала по его толщине происходит неравномерно. Наибольшему нагреву подвергаются отдельные каналы, вдоль которых протекают токи. Так как ЭИМ обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то с нагревом ток сквозь каналы возрастает. Это ведет к дальнейшему, ещё большему разогреву отдельных каналов, оплавлению и прожогу материала. ЭИМ теряет свои изолирующие свойства и наступает пробой, называемый тепловым. На вероятность возникновения теплового пробоя существенно влияет начальная температура материала. Чем она выше, тем легче развивается пробой, тем при меньшем напряжении он наступает. При низкой температуре и малом времени действия напряжения нет условий для развития пробоя.

Электрохимический – пробой обычно возникает в ЭИМ с неоднородной структурой при длительном воздействии напряжения. Например, в ЭИМ с воздушными включениями, под действием высокого напряжения воздух ионизируется. Образующиеся при этом атомарный кислород и водород вместе с азотом дают азотную кислоту, которая разрушает органический материал. При повышенной температуре в ЭИМ могут происходить электролитические процессы; сопровождающиеся образованием дендритов. При прорастании их на всю толщину материала происходит замыкание электродов и наступает пробой. Электрохимические явления в сочетании действием перепадов температур, влажности, динамических, механических нагрузок приводят к постепенному необратимому ухудшению качества ЭИМ, называемому «старением» изоляции.

Пробивное напряжение стареющей изоляции постепенно снижается. Придание изоляции монолитности путём пропитки жидким диэлектриком способствует повышению её электрической прочности.

Электрическая прочность для твёрдых ЭИМ определяется в слабонеоднородном поле. При определении регламентируется время воздействия напряжения. В соответствии с этим различают: мгновенную и длительную (полуминутную, минутную, получасовую).

У большинства высоковольтных аппаратов токоведущие части отделяются друг от друга твёрдыми изолирующими материалами и часть поверхности электродов диэлектриком не покрывается. Поэтому между ними остаётся воздушный промежуток, включённый параллельно твёрдой изоляции. Наличие твёрдого диэлектрика влияет на разрядное напряжение воздушного промежутка. Образование и развитие поверхностного разряда связано с эффектом искажения электрического поля у поверхности и повышением напряжённости в точках поверхности раздела сред. На рис. 1 (а, б, в) показаны наиболее характерные взаимные расположения твёрдого ЭИМ и воздуха в электрическом поле. При внесении твёрдого ЭИМ в равномерное электрическое поле (рис. 1,а), боковая поверхность которого оказывается параллельной силовым линиям поля, равномерность поля не нарушается, поверхностный разряд имеет место, но наступает при напряжении , меньшем, чем для чистого воздушного промежутка. Снижение разрядного напряжения по поверхности по сравнению с разрядным напряжением чистого воздуха при равномерных и слабонеравномерных электрических полях вызывается наличием воздушных прослоек между ЭИМ и электродами, влажностью поверхности твёрдого электроизоляционного материала и наличием трещин и мелких дефектов на ней.

Рис. 1. Схемы, иллюстрирующие влияние твёрдого диэлектрика на разрядное напряжение воздушного промежутка: I — металлические электроды; 2 — твёрдый диэлектрик

Образование и развитие поверхностного разряда у конструкций рис. 1 (б, в) происходит иначе. Здесь ЭИМ помещён в неравномерное поле. На границе раздела сред вектор напряжённости электрического поля может быть разложен на две составляющие: нормальную — и тангенциальную – . У конструкции, выполненной согласно рис. 1б, нормальная составляющая на большей части поверхности преобладает над тангенциальной. У конструкции, выполненной по рис. 1в, тангенциальная составляющая превышает нормальную. Чем больше величина, тем легче за счет трения частиц и разогрева поверхности, а также возникновения термической ионизации образуется и развивается скользящий разряд. При переменном напряжении ток скользящего разряда определяется удельной поверхностной ёмкостью твёрдого ЭИМ — С (Ф/см²). При постоянном напряжении скользящий разряд образуется значительно труднее, чем при переменном, что объясняется отсутствием влияния на разряд поверхностной ёмкости. С дальнейшим ростом приложенного напряжения наступает поверхностный разряд. При достаточной мощности источника перекрытие сопровождается дуговым разрядом, что может повредить изоляционную конструкцию. Во многих случаях требуются специальные меры, затрудняющие образование и развитие поверхностных разрядов по изоляционной конструкции. В [3] приведено описание мероприятий по защите пазовой изоляции высоковольтных электрических машин.

Дата добавления: 2015-12-07