Читайте также: |
|
Стойкость электроизоляционных материалов к действию коронных зарядов, возникающих на поверхности твердого диэлектрика у края электрода, называют короностойкостью. Коронестойкость — это сравнительная характеристика, она оценивается временем от начала возникновения короны на поверхности материала у края цилиндрического электрода до наступления пробоя. В табл. 5.2 представлены данные по сравнительной короностойкости некоторых электроизоляционных материалов. Из таблицы видно, что наиболее высокой короностойкостью обладает неорганический диэлектрик — миканит, а из органических диэлектриков — малопористые материалы: полистирол, полиэтилен и пропитанная компаундом осушенная кабельная бумага. Самую низкую короностой- кость имеют пористые и особенно сильнопористые диэлектрики — фторопласт-4 и кабельная бумага.
Таблица 5.2
Сравнительная короностойкость некоторых электроизоляционных материалов при 50 Гц
|
Старение под действием тепловых процессов, протекающих в порах изоляции, заполненных влагой
Если изоляция увлажнена, то причиной образования дендритов становится вода. В этом случае под действием электрического поля образуются водные дендриты (в литературе часто встречаются под названием водные триинги — water trees, от англ. tree — дерево), представляющие собой скопления мелких пор, заполненных водой. Они исчезают при сушке и появляются вновь после увлажнения. Один из возможных механизмов — образование и рост водных дендритов заключается в расширении объема воды в порах в результате ее нагрева под действием диэлектрических потерь и разрыва стенок пор. В отличие от электрических дендритов водные дендриты образуются при более низких значениях напряженности поля и без участия чр. Скорость их роста значительно меньше, чем электрических дендритов. Число и длина водных дендритов возрастают с увеличением времени выдержки увлажненной полимерной изоляции под напряжением, а также в результате повышения напряженности электрического поля и частоты тока. Скорость роста водных дендритов увеличивается с повышением концентрации ионов в водном растворе, температуры и механических напряжений в изоляции. Водные дендриты существенно увеличивают неоднородность поля в диэлектрике и уменьшают его эффективную толщину, в результате Епр снижается. Пробой полимерной изоляции при таком виде электрического старения наступает после того, как на конце водного дендрита разовьется электрический дендрит.
Старение под действием электролитических процессов
Этот вид старения обусловлен электролизом и может иметь место во всех диэлектриках. Обычно встречается в диэлектриках ионного строения (неорганических) при постоянном напряжении. Более стойкие к электролитическому старению из неорганических диэлектриков — слюда, материалы на ее основе и керамика.
При длительном приложении к диэлектрику постоянного электрического напряжения ионы примеси (у неорганических диэлектриков и собственные свободные ионы) начнут перемещаться по объему, обусловливая электрический ток (см. гл. 3). В неорганических диэлектриках в электропроводности предпочтительно принимают участие катионы щелочных металлов, так как они одновалентны и имеют небольшие геометрические размеры, и поэтому более подвижны (см. гл. 3.4.2). На электродах ионы разряжаются, и у катода формируются ветвистые металлические дендриты, по составу, строению и свойствам отличающиеся от дендритов электрических и водных.
Металлические дендриты представляют собой металлические нити, состоящие из атомов щелочных (в основном) и щелочноземельных металлов (рис. 5.25, а).
а |
/ |
Рис. 5.25. Металлические дендриты: а — из нитей металлического натрия в каменной соли (NaCl), дендриты образованы при 450 °С, 1 — катод; б — из нитей серебра в увлажненной бумаге, 1 — серебряный катод, 2 — дендриты из нитей серебра, 3 — серебря ный анод |
б
В неорганических стеклах в результате электролиза, вызванного действием постоянного напряжения, у катода образуются токопро- водящие дендриты — обычно из металлического натрия, входящего в состав стекол. Образовавшиеся дендриты видны в стекле в виде непрозрачных пятен. Дендриты из металлического натрия также образуются в щелочногалоидных кристаллах при длительном приложении постоянного напряжения и нагревании (см. рис. 5.25, а). В результате образования металлических дендритов электрическое поле в диэлектрике становится резконеоднородным, а эффективная толщина образца уменьшается. Вследствие этих изменений снижается электрическая прочность, и пробой происходит при более низком напряжении обычно в виде электротепловой формы. С увеличением температуры электролитические процессы резко возрастают, и пробой наступает при существенно более низком напряжении и за более короткий промежуток времени.
В некоторых случаях металлические дендриты образуются в результате миграции металла анода внутрь диэлектрика и отложения его на катоде. Это свойство особенно присуще серебру, относительно легко поддающемуся анодному растворению. Катионы серебра, переходя из анода в толщу диэлектрика, перемещаются к отрицательному электроду (катоду). У катода ионы серебра разряжаются и из атомов серебра образуются ветвистые металлические дендриты (см. рис. 5.25, б). При этом катод как бы «прорастает» в толщу диэлектрика. Серебро особенно легко мигрирует в органические диэлектрики, а при увлажнении этот процесс может иметь место и в неорганических диэлектриках типа керамики и слюды.
5.4.4. Влияние природы и строения твердых диэлектриков и внешних условий на электрическую прочность
Влияние природы диэлектриков
На величину Епр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловой форме пробоя Епр диэлектрика тем ниже, чем выше значения его е, tg5 и у (см. формулы (5.22)
и (5.23)).
Большое влияние на электрическую прочность оказывают плотность упаковки структурных элементов твердого диэлектрика, его пористость и гигроскопичность. С уменьшением плотности упаковки структурных элементов (ионов — у неорганических диэлектриков, молекул — у органических, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структурных образований — у полимеров) Епр снижается, так как возрастает длина свободного пробега электронов, которые в результате этого приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул (атомов) при меньшей напряженности электрического поля.
Особенно низкое значение Епр имеют пористые диэлектрики (бумага, картон, лакоткань и т. п.), так как в них образуется резконе- однородное электрическое поле, в результате чего повышается напряженность поля на локальных участках, и пробой наступает при более низком напряжении (см. ниже).
С увеличением влажности Епр диэлектриков снижается, так как возрастают у и tg5, и в результате этого усиливается процесс тепловыделения. При увлажнении возрастает также, как отмечалось выше, неоднородность электрического поля.
Влияние температуры
При электрической форме пробоя твердых неорганических, органических, в том числе полимерных, диэлектриков Епр практически не зависит от температуры.
МВ/м |
т оС |
При электротепловой форме пробоя значение Епр ниже, чем при электрической, и с увеличением температуры уменьшается (рис. 5.26). У большинства кристаллизующихся полимеров при достижении температуры плавления, у аморфных полимеров — температуры стеклования, а затем — температуры текучести Епр резко снижается. Электрическая прочность также снижается в случае ухудшения условий охлаждения.
Рис. 5.26. Зависимость электрической прочности Епр диэлектриков от температуры Т:
1 — полистирол; 2 — полиэтилен; 3 — фарфор.
Толщина образцов 1 и 2 — 0,01—0,07 мм, напряжение постоянное; толщина образца 3 — -1,5 мм, f — 50 Гц
Влияние частоты и времени приложения напряжения
При электрической форме пробоя Епр твердых диэлектриков от частоты приложенного напряжения не зависит. Однако при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10~7 с и менее Епр возрастает.
В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Епр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возросших диэлектрических потерь (см. гл. 4.2).
При пробое на коротких импульсах напряжения (т < 10~6 с) на величину Епр существенно влияет время приложения напряжения, и при уменьшении этого времени Епр диэлектриков возрастает. Объясняется это тем, что для развития электротепловой формы пробоя требуется накопление тепла, а чем меньше время приложения напряжения, тем больше должна быть величина этого напряжения. В связи с этим наибольшая Епр наблюдается при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10~6 с и менее. При таком малом времени приложения напряжения тепловые процессы не успевают развиваться и пробой будет иметь преимущественно электрическую форму.
Влияние пористости диэлектриков
На электрическую прочность диэлектриков значительное влияние оказывает неоднородность образующегося в них электрического поля, которая, в свою очередь, зависит от степени неоднородности строения самого твердого диэлектрика. При внесении в однородное электрическое поле неоднородного по строению диэлектрика в нем всегда образуется неоднородное поле. Наличие в диэлектрике пор, микротрещин, инородных включений и т. п., имеющих величину е, отличную от е самого твердого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В сильных полях ионизация пор приводит к еще большему увеличению неоднородности поля в диэлектрике (больше, чем в слабых полях). В результате на локальных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля (см. формулу (5.14)), и пробой наступает при более низком напряжении. Кроме того, в сильных полях при длительном приложении напряжения Епр будет снижаться вследствие электрического старения. При U> 11и под действием чр, возникающих в порах и микротрещинах материала, происходит его электрическая эрозия, и образуются электрические дендриты, уменьшающие эффективную толщину диэлектрика и увеличивающие в нем неоднородность электрического поля. В результате электрическая прочность диэлектрика снижается. Электрическая прочность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Епр воздуха. Поэтому для увеличения Епр пористых диэлектриков их пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляционными лаками или компаундами.
£пр, МВ/м |
£пр, МВ/м юоо - |
900 " |
800700 600500 |
3 |
16 20 30 40 50 60 70 Л, мкм |
600500 400 300 200 100 |
0 0,2 0,4 0,6 0,8 Л, мм |
/ 400 |
Рис. 5.27. Зависимость электрической прочности £пр твердых диэлектриков
от толщины И:
1 и 4 — полистирол; 2 — полиметилметакрилат; 3 — полипропилен: 5 — полиэтилен. Пробой произведен: 1 — на частоте 50 Гц; 2—5 — на фронте одиночных стандартных
импульсов напряжения
Влияние толщины диэлектриков
С увеличением толщины диэлектриков Unp возрастает медленнее, чем их толщина А, т. е. зависимость Епр(И) нелинейная (рис. 5.27). Образцам с меньшей толщиной соответствуют большие значения Епр.
В случае электрической формы пробоя при толщине образцов, равной и менее примерно 10-20 мкм, у неорганических и органических (в том числе полимерных) диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение — резкое возрастание Епр при уменьшении h. При h > 10—20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, объемных зарядов и т. п., что практически очень трудно исключить, Епр не должно изменяться с увеличением толщины образца.
При электротепловой форме пробоя, что чаще встречается в практике, нелинейный характер зависимости Епр(И) выражен значительно сильнее, чем в случае электрической формы пробоя, и наблюдается во всем интервале толщины, в том числе при h 20 мкм, так как с увеличением толщины образца ухудшаются условия отвода тепла.
Влияние площади электрода
Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов. Объясняется это тем, что с увеличением площади электродов возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест. Электрическая прочность многослойной изоляции имеет экстремальную зависимость от числа тонких слоев (рис. 5.28). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, картона, высыхающих лаков) имеет невысокую Епр, если величина частиц неоднородностей (например, пор) соизмерима с толщиной изоляции. При использовании двух слоев изоляции Епр возрастает, так
Рис. 5.28. Зависимость Епр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)
Число слоев тонкослойной изоляции
как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. С увеличением числа слоев изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев, а затем снижается. Одна из причин снижения Епр — ухудшение отвода тепла и усиление влияния электротепловой формы пробоя.
5.4.5. Электрическая прочность полимерных диэлектриков
На электрическую прочность полимерных диэлектриков, кроме рассмотренных выше факторов, влияют дополнительно тип и размер надмолекулярных структурных образований, которые, в свою очередь, зависят от гибкости полимерных цепей, степени кристалличности и пластификации образца, его молекулярной массы и молеку- лярно-массового распределения. На Епр влияют и другие особенности строения полимерного тела.
Влияние кристалличности, размера надмолекулярных образований и ориентации образцов
Электрическая прочность кристаллизующихся полимеров, содержащих одновременно кристаллическую и аморфную фазы, зависит как от степени кристалличности, так и от типа и размера надмолекулярных структурных образований. С увеличением степени кристалличности Епр возрастает. Например, при увеличении степени кристалличности у полипропиленовых пленок с 64,5 до 78 %, а у по- лиэтилентерефталатных пленок с 3 до 52 % электрическая прочность возрастает с 680 до 730 кВ/мм и с 150 до 480 кВ/мм соответственно.
У полимеров со сферолитной организацией (полиэтилены, полипропилен и другие кристаллизующиеся полимеры) канал пробоя формируется преимущественно в межсферолитном пространстве (МСП), имеющем менее совершенную структуру (более дефектную) и менее плотную молекулярную упаковку. Максимальную электрическую прочность имеют сферолиты (у полипропилена Enp ~ 730 кВ/мм). При этом электрическая прочность сферолитов не зависит от их размера (рис. 5.29, кривая 7). Минимальной электрической прочностью обладает МСП, Епр которого с увеличением размера сферолитов уменьшается, приближаясь к постоянной величине (у полипропилена к -150 кВ/мм; см. рис. 5.29, кривая 2).
У кристаллизующихся полимеров со сферолитной структурой Епр в первую очередь зависит от размера сферолитов (см. табл. 1.4 и 1.5), с увеличением размера которых электрическая прочность снижается линейно. Однако, когда среднее значение диаметра сферолитов становится примерно равным толщине образца, Епр с дальнейшим увеличением размера сферолитов остается практически постоянной (рис. 5.30).
Таким образом, однородная и мелкосферолитная структура полимера обеспечивает ему высокую электрическую прочность. Мел- косферолитную структуру можно создать путем введения в полимер веществ, выполняющих роль зародышей структурообразования, термической обработки, увеличения молекулярной массы и т. д.
У аморфных полимеров надмолекулярная организация менее совершенная и состоит из более простых (чем сферолиты) надмолекулярных образований, например глобул, которые являются «наддо- менными» структурами (см. тд. 1.7.1). Из-за малых размеров глобулы видны только в электронном микроскопе. Глобулярную структуру имеет, например, атактический полистирол. Наличие неоднородно- стей в надмолекулярной организации и укрупнение глобул приводит к снижению Епр аморфных полимеров.
Таким образом, полимерное тело как кристаллизующихся, так и аморфных полимеров дискретно, и канал пробоя формируется в пространстве между надмолекулярными структурными образованиями (например, между сферолитами или глобулами), размер которых в значительной мере определяет величину Епр образца. Чем меньше размер надмолекулярных образований, тем выше электрическая прочность полимера.
£пр, МВ/м Рис. 5.29. Зависимость Епр сферолитов (/) и межсферолитного пространства(2)от диаметра сферолитов Пробой осуществлен на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения |
Электрическая прочность пленок как кристаллизующихся, так и аморфных полимеров возрастает при переходе от прессованных к од- ноосно- и двухосноориентированным образцам. Пробивное напря-
£пр, МВ/м 20 60 100 afcd), мкм Рис. 5.30. Зависимость Епр полипропиленовых (1 и 3), полиэтиленовых (2) пленок от диаметра сферолитов dcф. Толщина образцов: 1 — 0,05 мм; 2 — 0,06 мм; 3 — 0,075 мм. Пробой осуществлен на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения |
жение больше в том случае, когда электрическое поле направлено перпендикулярно оси ориентации, чем когда оно совпадает с осью вытяжки.
Влияние пластификаторов и твердых наполнителей
Ряд полимерных диэлектриков, используемых на практике, часто содержит наполнители, пластификаторы или другие добавки, обеспечивающие необходимые материалам эксплуатационные свойства.
Введение в полимерные диэлектрики небольших количеств пластификатора, как правило, снижает их электрическую прочность (рис. 5.31).
При молекулярной пластификации (пластификатор неограниченно совмещается с полимером, см. гл. 1.7.3) структура полимера разрыхляется и электрическая прочность снижается примерно пропорционально количеству введенного пластификатора (см. рис. 5.31, кривая 3). При структурной пластификации (пластификатор ограниченно совмещается с полимером) разрыхление структуры и, как следствие этого, снижение Епр происходит обычно только при введении первой небольшой (0,1—1,0 мас.%) порции пластификатора (см. рис. 5.31, кривая 2).
У некоторых полимеров, например поливинилхлорида (ПВХ), при молекулярной пластификации Епр уменьшается только при введении небольшого (1—3 мас.%) количества пластификатора, например дибутилфталата (ДБФ), а также при большом (более 40 мас.%) его содержании. При содержании ДБФ в количестве от 8 до 40 мас.% Епр ПВХ имеет максимальное значение, которое на 15—18 % выше Епр непластифицированного ПВХ (см. рис. 5.32, кривая 7).
Наблюдаемые изменения величины Епр полимеров как при молекулярной, так и при структурной пластификации связаны с перестройкой надмолекулярной организации, в том числе с изменением количества и размера пор и микротрещин. Чем меньше размер и концентрация пор и микротрещин, меньше размер надмолекулярных структурных образований и больше плотность молекулярной упаковки между ними, тем выше электрическая прочность полимеров.
При введении в полимер твердого наполнителя образуется гетерогенная система, в различных точках которой значения напряженности Е электрического поля могут существенно отличаться друг от друга. Эта разница в значениях Е будет тем больше, чем больше разница в значениях е диэлектрика и наполнителя (см. формулу (5.14)).
Таким образом, введение в полимер твердого наполнителя, как правило, приводит к снижению его Епр. Однако при введении в полимер веществ, проявляющих свойства зародышей структурообразо- вания, размер надмолекулярных образований (сферолитов) уменьшается, а плотность упаковки структурных элементов возрастает; в результате Епр полимера увеличивается. Например, при введении в полиэтилен 0,5—1,0 мас.% метилового красного или церезина при-
Рис. 5.32. Зависимость электрической прочности Епр полимеров от молекулярной массы (ММ) при 20 °С: |
1 — полиэтилен (А = 0,06 мм); 2 — полистирол (Л = 0,1 мм); 3 — поливинилацетат (А = 0,25 мм); 4 — полистирол (h = 0,04 мм). Пробой осуществлен: 1 — на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения; 2, 3 и 4 — на частоте 50 Гц
водит к образованию очень устойчивой однородной мелкосферолит- ной структуры; Епр образцов повышается на 12—100 %.
При попадании на поверхность изделий из полимеров поверх- ностно-активных веществ (ПАВ), например мыла, изделия со временем покрываются трещинами. Под действием ПАВ трещины углубляются, особенно быстро — при нагревании; Епр при этом резко снижается. Образовавшиеся трещины в изоляции проводов и кабелей могут углубляться вплоть до токонесущего провода.
Влияние молекулярной массы
У гибкоцепных полимеров, как аморфных (полистирол, поливинилацетат и т. п.), так и кристаллизующихся (полиэтилен высокой и низкой плотности и др.), с увеличением молекулярной массы (ММ) Епр возрастает, приближаясь к постоянной величине у высокомолекулярных образцов (рис. 5.32, табл. 1.4).
Рис. 5.31. Зависимость электрической прочности пластифицированных полимеров в процентах к Епр исходного образца (а) от содержания пластификатора в мас.% (б) на частоте 50 Гц: 1 — поливинилхлорид, пластифицированный дибутилфталатом;2 — полистирол, пластифицированный трансформаторным маслом; 3 — полистирол, пластифицированный стиролом |
а |
У аморфных полимеров с увеличением ММ электрическая прочность возрастает, так как увеличиваются плотность структуры и степень ее упорядоченности. У кристаллизующихся полимеров с увеличением ММ уменьшается размер сферолитов (см. рис. 1.14, в—д) и возрастает плотность молекулярной упаковки межсферолитного пространства, на что указывает уменьшение проницаемости паров н- гексана (см. табл. 1.4). Кроме того, как у аморфных, так и у кристаллизующихся полимеров с увеличением ММ уменьшается дефектность структуры (пористость).
Таблица 5.3
Электрическая прочность, плотность, влагопроницаемость и относительная оптическая плотность ацетилцеллюлозы в зависимости от молекулярной массы
|
* Образцы нефракционированные. Пробой производили на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения. |
У жесткоцепных полимеров (например, у ацетилцеллюлозы) с увеличением MM J5L, наоборот, уменьшается, так как у этих полимеров с увеличением ММ возрастает жесткость молекулярных цепей. В результате этого плотность упаковки структурных элементов уменьшается и структура становится более рыхлой, на что указывает увеличение коэффициента влагопроницаемости и относительной оптической плотности прокрашенных образцов (см. табл. 5.3).
5.5. ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
У изготовленных электротехнических изделий, а также в процессе их эксплуатации с целью уменьшения вероятности возникновения аварийной ситуации изоляцию подвергают определенным профилактическим испытаниям, используя при этом различные методы, каждый из которых обнаруживает дефекты определенного типа.
Дефекты условно разделяют на сосредоточенные и распределенные. К первым относятся дефекты, малые по своим размерам (поры, микротрещины, проколы и т. п.), ко вторым — дефекты, охватывающие значительные объемы изоляции (например, увлажнение или загрязнение).
В качестве контроля за состоянием изоляции, кроме методов, изложенных в гл. 5.4.3, широко используют метод испытания изоляции повышенным напряжением, с помощью которого проверяют отсутствие грубых сосредоточенных дефектов. Этот метод испытания заключается в том, что к испытуемой изоляции прикладывают напряжение, превышающее рабочее. Если изоляция не содержит грубых дефектов, она выдерживает испытательное напряжение, если содержит — пробивается. При профилактических испытаниях, по существу, проверяется способность изоляции проработать без отказа до следующего испытания.
Величина испытательного напряжения, длительность его приложения и периодичность проведения профилактического испытания устанавливаются соответствующими ГОСТами, техническими условиями и Правилами технической эксплуатации электроустановок. Выбирают эти величины в зависимости от типа электротехнического изделия, изоляция которого подвергается испытанию, от его номинального напряжения и вида испытательного напряжения, которое может быть переменным, постоянным (выпрямленным) или импульсным.
Испытания повышенным напряжением промышленной частоты позволяют выявить большинство грубых сосредоточенных дефектов. Этот метод является обязательным как при заводских, так и при профилактических испытаниях.
Испытания повышенным постоянным напряжением обычно проводят в тех случаях, когда испытуемая изоляция имеет большую емкость (например, конденсаторы, кабели и т. п.), а также когда требуется получить дополнительную информацию о величине тока утечки при испытательном напряжении. Последнее, а также возможность повышения испытательного напряжения для лучшего выявления дефектов, не опасаясь появления частичных разрядов высокой интенсивности, что особенно важно при испытании масляной и бумажно-масляной изоляции, делают этот метод более эффективным по сравнению с методом испытания переменным напряжением.
Испытания импульсным напряжением позволяют выявлять электрическую прочность изоляции по отношению к грозовым и коммутационным перенапряжениям. В этих случаях используют стандартные импульсы напряжения (длительность фронта тф= 1,2 ± 0,36 мкс, длительность импульса ти = 50 ±10 мкс) и срезанные.
Глава 6
Дата добавления: 2015-08-09; просмотров: 312 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ 4 страница | | | МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ |