Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (рис. 4.2) характерна зависимость Епр от давления. Давление 0,1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению. E_пр при больших давлениях растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации; возрастание E_пр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа. E_пр воздуха в однородном поле растет, как показано на рис. 4.3 с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

рис. 4.2	рис. 4.3

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например для воздуха при h=l см от 30 кВ до 9 кВ. В неоднородном поле влияет также полярность электродов. Так для электродов с малым радиусом кривизны U_пр при положительной полярности оказывается меньше, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса.

Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.

Для трехполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.

Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.

Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие механические частицы. Наличие примесей значительно усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов пробоя. В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами, как и в случае пробоя газов. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно уменьшенной длиной свободного пробега электронов.

Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием ее в местах наибольшего количества примесей, которое приводит к образованию газового мостика между электродами.

Опыт свидетельствует о большом влиянии примесей на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Влияние примесей в меньшей степени сказывается при пробое жидких диэлектриков импульсами.

Пробой жидкости при радиочастотах обусловлен ее разогревом за счет диэлектрических потерь, что может приводить к термическому разрушению жидкости. Поэтому предельно допустимые рабочие напряженности поля для жидких диэлектриков на радиочастотах оказываются ниже, чем на промышленной частоте.

Пробой твердых диэлектриков

У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1. электрический;

2. тепловой;

3. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

28 нет

ЖИ́ДКИЕ ДИЭЛЕ́КТРИКИ, молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 10¹⁰ Ом см. Как и твердые диэлектрики, жидкие диэлектрики поляризуются в электрических полях: для них характерна электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая проницаемость (статическая) жидких диэлектриков может достигать значений 10² (для частоты 10⁴Гц). В сильных электрических полях происходит электрический пробой жидких диэлектриков, механизм которого (тепловой или электронный) зависит от природы жидкости, ее чистоты, температуры, и др.

Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др. Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в молекулах, а между молекулами действуют ван-дер-ваальсовые силы.

Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность жидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими газами при атмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечивать повышение электрической прочности твердой пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора, гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическая прочность возрастает.

Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. Собственная проводимость жидких диэлектриков имеет электронную и ионную составляющие. Она обусловлена автоэлектронной эмиссией с катода, электролитической диссоциацией молекул, ионизацией молекул. Электрические свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Загрязнения, как правило, снижают электрическую прочность жидких диэлектриков и увеличивают проводимость за счет возрастания количества ионов и заряженных коллоидных частиц.

Проводимость жидкостей определяется ионизацией молекул и наличием в жидкости примесей. Основными примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Очистка диэлектрических жидкостей (дистилляцией, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастанию электрической прочности. Электрическая прочность в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков.

Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных материалов, являются:

нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное;

синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические;

растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования n от 3 до 6.

Благоприятными свойствами обладают и смеси хлорированных дифенилов с другими хлорированными соединениями, применяемые для пропитки конденсаторов. Хлорированные дифенилы негорючи. Однако их недостатком является высокая токсичность.

Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость.

Фторорганические жидкости имеют весьма малый tgδ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Пары некоторых фторорганических жидкостей имеют необычно высокую для газообразных диэлектриков электрическую прочность.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.

Представляют интерес и некоторые другие полярные синтетические электроизоляционные жидкости. Нитробензол Н₅С₆—NO₂, этиленгликоль НО—СН₂—СН₂—ОН и цианоэтилсахароза C₃₈H₄₆N₈O₁₁ имеют весьма высокую диэлектрическую проницаемость.

Для использования в электрической изоляции сильнополярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их плотность и повышают тангенс диэлектрических потерь.

Помимо синтетических электроизоляционных жидкостей, отличающихся по химическому составу и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в ряде случаев обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкость) по сравнению с маслами, получаемыми из нефти.

Сравнительно дешевый отечественный материал под названием октол представляет собой смесь полимеров изобутилена и его изомеров, имеющих общий состав С₄Н₈ и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти. Октол с успехом применяется для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей на напряжения до 10 кВ.

Синтетические жидкие углеводороды (додецилбензол, тридецилбензол) используются в кабелях на сверхвысокие рабочие напряжения (275 кВ и выше).

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

Дата добавления: 2015-07-11