Материал: Учебное пособие ЭТМ

что практически не препятствует ориентации диполей, поэтому потери падают.

Рис. 4.14. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для разных типов диэлектриков

Если диэлектрики обладают обоими видами потерь, то для них зависимость tgδ от температуры является суммой зависимостей 1 и 2 и выражены кривой 3.

Частота электрического поля. Зависимость tgδ от частоты при постоянной температуре для различных типов диэлектриков приведена на рис. 4.15.

С ростом частоты потери, обусловленные сквозной проводимостью уменьшаются (кривая 1), а дипольно-релаксационные потери имеют максимум (кривая 2). С ростом частоты эти потери сначала возрастают, так как диполи должны все интенсивнее ориентироваться по полю, но, в конце концов, они не будут успевать поворачиваться и потери начнут уменьшаться.

Рис. 4.15. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического поля для разных типов диэлектриков

63

Напряжение. С ростом напряжения tgδ незначительно возрастает, вплоть до самого пробоя, что происходит из-за увеличения электропроводности.

Ионизационные потери имеют место в диэлектриках, содержащих газовые включения, из-за их ионизации (при напряжении, превышающем напряжение возникновения частичных разрядов) потери начинают возрастать раньше и развиваются интенсивнее (рис. 4.16, график 1).

Рис. 4.16. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от напряжения для диэлектриков: 1 — содержащих газовые включения;

2 — не содержащих газовые включения

Если диэлектрик не имеет газовых включений и работает при напряжении далеком от пробивного значения, то его tgδ от напряжения практически не зависит (рис. 4.16, график 2).

Влажность. Влажность резко усиливает потери в диэлектрике из-за увеличения токов сквозной проводимости, поэтому диэлектрик перед эксплуатацией обязательно подвергается сушке и дегазации.

Электротепловое старение. В процессе эксплуатации все материалы подвержены электротепловому старению, а образование продуктов разрушения диэлектрика приводит к увеличению его потерь. Единственными диэлектриками, в которых отсутствует увеличение потерь в процессе эксплуатации — целлюлозная бумага и картон. В них tgδ в сухом состоянии не меняется вплоть до разрушения материала. Увеличение потерь пропитанной целлюлозы связано с потерями жидкого диэлектрика.

64

4.2.4. Пробой диэлектриков

Ни один диэлектрик не способен выдержать приложенного к нему неограниченно высокого напряжения. При увеличении напряжения рано или поздно произойдет пробой при напряжении Uпр (рис. 4.17). При этом наблюдается местное увеличение проводимости из-за резкого увеличения концентрации носителей и сквозного тока, этот процесс завершается образованием проводящего канала пробоя. После пробоя материал утрачивает свои электроизоляционные свойства.

Рис. 4.17. Вольтамперная характеристика диэлектрика

В случае пробоя газообразного или жидкого диэлектрика после снятия пробивного напряжения происходит восстановление электроизоляционных свойств. Для твердого диэлектрика такое восстановление после снятия напряжения отсутствует.

Напряжение, вызывающее пробой называется пробивным Uпр, а соответствующая этому значению напряженность электрического поля — электрической прочностью диэлектрика Епр:

65

что связано с тем, что электрическая прочность твердого диэлектрика больше электрической прочности жидкости и электрической прочности газа.

Электрическая прочность является важнейшей характеристикой материала, если уменьшаются другие характеристики, то изоляционная конструкция пусть не оптимально, но будет продолжать работать, а при рабочей напряженности большей, чем электрическая прочность произойдет отказ работы электрической изоляции.

электрической прочности изоляции (Uраб и Ераб — рабочее напряжение и напряженности электрического поля, соответственно).

Электрическая прочность определятся физическим состоянием и структурой диэлектрика.

Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов носит чисто электрический характер, поскольку начинается с ударной ионизации электронами. Воспроизведение разряда осуществляется вырыванием электронов из катода положительными ионами и фотонами.

Развитие лавинообразного процесса идет в шесть стадий. Первая стадия. Незначительное количество свободных элек-

тронов и ионов под действием электрического поля получают добавочную скорость и начинают двигаться с приобретенной энергией

Вторая стадия. Если приобретенная энергия велика, то при соударении движущейся частицы с нейтральной происходит:

− возбуждение;

66

−ионизация при энергии, большей энергии ионизации, т. е. происходит расщепление молекул на электроны и положительные ионы.

Третья стадия. Одновременно развивается фотонная ионизация за счет поглощения нейтральными молекулами энергии фотонов, испускающих возбуждение, но не ионизированными атомами.

Четвертая стадия. Появившиеся свободные электроны ионизируют или возбуждают нейтральные молекулы. Положительные ионы выбивают электроны при ударах о катод.

Пятая стадия. Число свободных носителей лавинообразно нарастает, образуются стримеры — проводящие каналы. Отрицательный стример содержит электроны и отрицательные ионы, движущиеся от катода к аноду. Положительный стример содержит положительные ионы, движущиеся от анода к катоду.

Шестая стадия. Стримеры мгновенно развиваются, происходит электрический пробой.

Электрическая прочность газа в нормальных условиях не велика и зависит от следующих факторов:

Химический состав. В однородном поле при нормальных условиях электрическая прочность воздуха 3 ммкВ . Для инертных газов

электрическая прочность значительно ниже. У галогеносодержащих газов (фреона (CF2Cl2), элегаза (SF6)) электрическая прочность в 2,5 - 3 раза больше электрической прочности воздуха.

Форма электрического поля. В неоднородном поле электриче-

ская прочность воздуха 0,5 ммкВ .

Расстояние между электродами. При малых расстояниях меж-

ду электродами происходит значительное увеличение электрической прочности, связанное с малой длиной свободного пробега, поскольку затруднено формирование электронной лавины. Так, при промежутке

0,005 мм электрическая прочность воздуха составляет 70 ммкВ .

67