ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ МІЦНОСТІ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Мета роботи – вивчити процеси в твердих діелектриках при різних видах пробою, ознайомитися з порядком проведення випробувань твердих діелектриків і визначення їхньої електричної міцності, а також отримати уявлення про значення напруг пробою найбільш поширених твердих ізоляційних матеріалів.
6.1 Основні теоретичні відомості
У сучасній електротехніці використовується велика кількість найрізноманітніших видів твердих діелектриків. Серед них є матеріали як природного походження (слюда, мармур, азбест, каніфоль), так і штучні (текстоліт, гетинакс, лакотканини, фарфор, синтетичні смоли, пластмаси). Але, незважаючи на таку різноманітність, усі тверді діелектрики підкоряються загальним законам, які визначають їхню електричну міцність.
Найхарактернішою особливістю твердих діелектриків, яка відрізняє їх від рідких та газоподібних діелектриків, є втрата ними після пробою електроізолювальних властивостей. Порушення електричної міцності твердих діелектриків може бути наслідком пробою як крізь об’єм, так і по поверхні. Пробій по поверхні звичайно називають поверхневим розрядом, або перекриттям діелектрика. Якщо пробій крізь об’єм, в основному, визначається будовою діелектрика, то розряд по його поверхні залежить не лише від властивостей самого матеріалу, а й від стану його поверхні і навколишнього середовища.
Електрична міцність діелектрика залежить від хімічної будови його матеріалу.
Крім хімічної будови на величину Епр твердих діелектриків впливає й фізична структура. Матеріали неоднорідної будови мають занижену величину Епр, але, якщо вони просочені електроізоляційними матеріалами, то підвищується їх електрична міцність.
Для забезпечення надійності роботи діелектриків їх робоча напруга Uр повинна бути значно нижчою від пробивного значення.
Відношення Uпр до Uр називається коефіцієнтом запасу електричної міцності і для кожного виду діелектрика встановлюється залежно від його фізико-хімічних властивостей та умов роботи. Існує два основних види пробою діелектриків: електричний та тепловий.
Особливий практичний інтерес викликає явище пробою твердих полярних і неполярних діелектриків в однорідному й неоднорідному полях. Так, електрична міцність неполярного діелектрика в однорідному електричному полі значно вища від його електричної міцності в неоднорідному полі. Зовсім інший результат отримують при випробуванні полярного діелектрика у тих самих полях. Здебільшого при випробуваннях електрична міцність у неоднорідному електричному полі може бути вища, ніж в однорідному. Це явище можна пояснити тим, що у неоднорідному полі електрод “голку” можна встановити на ділянку з ознаками неполярного діелектрика. А на електродах “площина – площина” у поле потрапляє більше ділянок, у тому числі ділянки з ознаками полярного діелектрика. На останніх і відбувається пробій при нижчих значеннях U.
Розрізняють чотири види пробою твердих діелектриків:
- електричний пробій макроскопічних однорідних діелектриків;
- електричний пробій неоднорідних діелектриків;
- тепловий (електротепловий) пробій;
- електрохімічний пробій.
Кожний із зазначених видів пробою може мати місце для того самого матеріалу залежно від характеру електричного поля (постійного чи змінного, імпульсного, низької чи високої частоти), наявності в діелектрику дефектів, зокрема закритих пор, від умов охолодження, часу впливу напруги.
Електричний пробій макроскопічних однорідних діелектриків. Характеризується дуже швидким розвитком, він протікає за час 10-7 – 10-8с, і не зумовлений тепловою енергією, хоча електрична міцність при електричному пробої до деякої міри залежить від температури.
Електричний пробій, за своєю природою, є чисто електронним процесом, коли з деяких початкових електронів у твердому тілі створюється електронна лавина. Електрони розсіюють енергію свого руху, накопичену в електричному полі, збуджуючи пружні коливання кристалічних ґраток. Електрони, що досягли певної критичної швидкості, сприяють відщепленню нових електронів, і стаціонарний стан порушується, тобто виникає ударна іонізація електронами у твердому тілі.
Чисто електричний пробій має місце, коли унеможливлений вплив електропровідності та діелектричних втрат, що зумовлюють нагрівання матеріалу, а також відсутня іонізація газових включень. Для однорідного поля і повної однорідності структури матеріалу напруженість поля при електричному пробої може служити мірою електричної міцності речовини. Такі умови можна спостерігати для монокристалів лужно-галоїдних сполук і деяких органічних полімерів. У цьому випадку Епр досягає сотень мегавольт на метр і більше.
Для однорідних матеріалів характерна помітна різниця між значеннями напруги пробою в однорідному і неоднорідному полях.
Електричний пробій неоднорідних діелектриків. Він характерний для технічних діелектриків, що містять газові домішки, і так само, як і електричний пробій однорідного діелектрика, дуже швидко розвивається.
Прийнято вважати, що в однорідному полі електрична міцність скла, порцеляни й інших твердих діелектриків не залежить від товщини зразка. Однак основні роботи з вивчення впливу ступеня однорідності на електричну міцність проводилися лише зі склом при дуже малих товщинах зразків – від 0,05 до 0,2–0,5 мм, коли число дефектів невелике. Зі збільшенням товщини зразка підсилюється неоднорідність структури, зростає число газових включень і знижується електрична міцність як в однорідному, так і в неоднорідному полях. Іноді на досліді можна спостерігати, що електрична міцність кераміки при електродах, що створюють зовнішнє неоднорідне поле, буде навіть вища, ніж при електродах, що забезпечують однорідне поле. Електрична міцність твердих діелектриків практично не залежить від температури до деякого її значення. Вище цього значення спостерігається помітне зниження електричної міцності, що вказує на появу механізму теплового пробою.
Електротепловий (скорочено тепловий) пробій. Він зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температур, що відповідають хоча б місцевій втраті ним електроізоляційних властивостей, пов'язаній з надмірним зростанням наскрізної електропровідності або діелектричних втрат. Напруга пробою при тепловому пробої залежить від низки чинників: частоти поля, умов охолодження, температури навколишнього середовища та інших. Крім того, напруга теплового пробою пов'язана з нагрівостійкістю матеріалу. Органічні діелектрики внаслідок малої нагрівостійкості за інших рівних умов мають більш низькі значення пробивних напруг при тепловому пробої, ніж неорганічні. При розрахунках напруги теплового пробою повинні братися до уваги значення tgd діелектрика і його залежність від температури, а також діелектрична проникність матеріалу. У ланцюгах змінного струму низької частоти знаходять застосування матеріали, що дають різке зростання tgδ уже при нагріванні вище 20–30°С; з іншого боку, відомі діелектрики, значення tgd яких мало міняється в дуже широкому інтервалі температур, аж до 150–200°С; в останньому випадку тепловий пробій зможе розвиватися тільки при досягненні цих температур. Температура нагрівання ізолятора в електричному полі високої напруги встановлюється тоді, коли тепловиділення виявиться рівним тепловіддачі в навколишнє середовище. У більшості випадків тепловідведення зумовлюється конвекцією повітря. Такі умови роботи підвісних і опорних ізоляторів, керамічних конденсаторів, каркасів котушок індуктивності. Тепловідведення за рахунок теплопровідності навколишнього середовища має місце для кабелів, вводів, вмонтованих у стіни. Звичайно при розрахунку ізоляторів вибирають таку робочу напругу, що відповідає сталій температурі, щоб температура нагрівання не перевищувала деякого заданого значення, небезпечного з точки зору нагрівостійкості діелектрика.
Електрохімічний пробій. Для ізоляційних матеріалів він має особливо істотне значення при підвищених температурах і високій вологості повітря. Цей вид пробою простежується при постійній і змінній напругах низької частоти, коли в матеріалі розвиваються електролітичні процеси, що зумовлюють незворотне зменшення опору ізоляції.
Таке явище часто називають також старінням діелектрика в електричному полі, оскільки воно приводить до поступового зниження електричної міцності.
Електрохімічний пробій вимагає для свого розвитку тривалого часу, тому що він пов'язаний з повільним виділенням в матеріалі малих кількостей хімічно активних речовин або з утворенням напівпровідних з'єднань. У кераміці, що містить окисли металів змінної валентності (наприклад, TIO2), електрохімічний пробій зустрічається значно частіше, ніж у кераміці, що складається з окислів алюмінію, кремнію, магнію, барію.
Тепловий пробій виникає у тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, яка може виділитися в навколишнє середовище. При цьому порушується теплова рівновага, а процес набуває лавиноподібного характеру. Явище теплового пробою зводиться до розігрівання матеріалу в електричному полі до недопустимих температур. Електрична міцність при тепловому пробої є характеристикою не тільки матеріалу, але й виробу з нього, тоді як електрична міцність при електричному пробої служить характеристикою самого матеріалу. Напруга пробою, зумовлена нагрівом діелектрика, пов'язана з частотою напруги, умовами охолоджування, температурою навколишнього середовища. Крім цього, електротеплова напруга пробою залежить від нагрівостійкості матеріалу. Органічні діелектрики (наприклад, полістирол) мають нижчі значення електротеплових напруг пробою, ніж неорганічні (кварц, кераміка).
Розглянемо методику спрощеного розрахунку напруги пробою при тепловому пробої. Нехай пластинка однорідного діелектрика, що має втрати, знаходиться між двома електродами, як показано на рис. 6.1.
Рисунок 6.1 – Форма електродів для визначення електричної міцності твердих діелектриків
До електродів від достатньо потужного джерела змінного струму прикладається напруга, яку можна збільшувати до пробивної. Механізм теплового пробою найбільш вірогідний при підвищених температурах, коли переважаючими будуть втрати наскрізної електропровідності.
Температура t по всьому об'єму матеріалу, що знаходиться в електричному полі між електродами, буде однакова за умови, що товщина діелектрика невелика і теплопровідність його не дуже погана. Оскільки теплопровідність металу електродів за рідкісним винятком на два-три порядки більша, ніж теплопровідність діелектрика, вважається, що теплота з його об'єму передається в навколишнє середовище через електроди. Потужність, яка відводиться від діелектрика, виразимо за допомогою формули Ньютона:
де s – коефіцієнт теплопередачі системи діелектрик-метал електродів;
S – площа електрода;
t – температура нагрітого за рахунок діелектричних втрат матеріалу;
t0 – температура електродів приблизно дорівнює температурі навколишнього середовища.
Активна потужність Ра, яка виділяється в діелектриках за рахунок діелектричних втрат, залежить від температури, а форма її кривої зумовлюється температурною залежністю tgd і визначається формулою:
де U – прикладена напруга;
f – частота;
er – відносна діелектрична проникність;
tgd0 – тангенс кута діелектричних втрат діелектрика при температурі навколишнього середовища;
a – температурний коефіцієнт тангенса кута діелектричних втрат;
h – товщина діелектрика.
Для наочності подальших міркувань скористаємося графічною побудовою, показаною на рис. 6.2, де у вибраній системі координат зображені експоненти тепловиділення Ра = F (t) при різних значеннях прикладеної напруги і пряма тепловіддачі Рт = j(t).
Рисунок 6.2 – Пояснення до розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої
При значенні прикладеної напруги U1 пряма теплопередачі РТ є січною прямою тепловиділення. При температурі t1 настає стан стійкої теплової рівноваги, оскільки потужність тепловиділення рівна потужності, що відводиться від зразка. Якщо температура не перевищує значення t¢, то потужність, що відводиться, буде більшою потужності тепловиділення, і зразок поступово буде повертатися в стійкий стан при температурі t1. Напруга U1 буде безпечною для зразка діелектрика в даних умовах, якщо нагрів до температури t¢ не призведе до механічного або хімічного руйнування структури матеріалу. При збільшенні напруги до значення U2, при якому пряма теплопередачі є дотичною до кривої тепловиділення, буде нестійка теплова рівновага при температурі t. Таким чином, напруга, при якій має місце нестійкий граничний режим, може бути прийнята за напругу теплового пробою Uпр. Її можна визначити за двох умов:
Умова може бути записана тільки для одного граничного режиму. Дана умова справедлива для всіх випадків стійкої роботи діелектрика під напругою. Використовуючи попередні формули, одержуємо:
Розділивши вираз (6.5) на (6.6), одержуємо :
Підставляючи (6.7) в (6.6) і, розв’язуючи одержане рівняння відносно U, визначаємо величину Uпр:
де К – числовий коефіцієнт, рівний 115 ÷ 105, якщо всі величини, що мають розмірності, виражені в одиницях системи СІ.
Одержаний вираз показує, що напруга теплового пробою буде вищою, якщо умови тепловіддачі кращі і діелектрик товстіший, і меншою – при високих частотах, великому коефіцієнті діелектричних втрат e, tg d0 і великому температурному коефіцієнті тангенса кута діелектричних втрат a.
У загальному випадку тепловий пробій – складніше явище, ніж було розглянуто. По товщині діелектрика має місце перепад температури, середній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилеглі до електродів, опір першого різко падає, що веде до спотворення електричного поля і підвищених градієнтів напруги в поверхневих шарах. Впливає також і теплопровідність матеріалу електродів. Все це сприяє пробою зразків при нижчих напругах, ніж одержані з наближеного розрахунку.
Залежність електричної міцності від великого числа різних факторів змушує визначати електричну міцність при строго нормованих умовах випробувань (від напруги, швидкості її підйому, площі, форми електродів і відстані між електродами, числа зразків, температури та вологості навколишнього середовища). Оскільки реальні умови роботи матеріалів здебільшого відрізняються від умов, у яких проводяться випробування, отримані результати можуть бути використані при розрахунках електроізоляційних конструкцій лише після введення відповідних поправкових коефіцієнтів.
Два електроди можуть знаходитися на поверхні діелектрика. У цьому випадку при перекритті відбувається порушення електричної міцності повітря, а характеристики діелектрика (діелектрична проникність, поверхневий і об'ємний опори, товщина діелектрика) впливають на значення напруженості перекриття, що, як правило, значно нижча напруженості пробою по товщині.
6.2 Порядок виконання роботи
6.2.1 Ознайомитися зі зразками твердих діелектриків, які будуть випробуватись.
6.2.2 Виміряти мікрометром товщину кожного зразка не менше, ніж у трьох місцях, і обчислити середнє значення товщини випробувального зразка.
6.2.3 Установити зразок діелектрика у випробувальну установку (рис. 6.3). Перемикач S2 повинен знаходитися в положенні “5А”, а вимикач S1 розімкнутий. Вимірювання досліджуваної напруги проводиться вольтметром PV, повне відхилення стрілки якого відповідає 100 кВ. У випадку перекриття випробуваного об'єкта спрацьовує реле КА, розмикається його контакт KA1, відпадає магнітний пускач КМ, відключаючи своїми контактами KM1, КМ2 установку від джерела живлення. Для повторного ввімкнення установки необхідно регулятор автотрансформатора Т3 установити в нульове положення, а потім повторити перелічені операції.
Рисунок 6.3 – Електрична схема випробувальної установки
6.2.4 Результати вимірів і розрахунків записати в таблицю 6.1.
Таблиця 6.1 – Результати вимірів і розрахунків
6.2.5 Розрядним пристроєм зняти заряд з електродів.
6.2.6 Провести випробування інших твердих діелектриків, вказаних викладачем.
Особливі умови виконання техніки безпеки:
а) під час випробувань забороняється заходити за огородження;
б) при регулюванні відстані між електродами слід зняти напругу з установки і відімкнути схему від мережі;
в) забороняється вимикати схему, не знявши попередньо напругу з випробувального стенда;
г) після кожного вимірювання треба розрядити випробувальний стенд.
6.3 Обробка результатів вимірювань
6.3.1 Розрахувати за даними досліджень електричну міцність твердих діелектриків, беручи Uпр за результатами випробувань.
6.3.2 Результати розрахунків занести до табл. 6.1.
6.3.3 За результатами дослідів дати порівняльні оцінки електричної міцності твердих діелектриків.
6.4 Зміст звіту
6.4.1 Мета та програма роботи.
6.4.2 Схема дослідної установки.
6.4.3 Таблиця з виміряними та розрахованими даними.
6.4.5 Висновки за результатами виконаної роботи.
6.4.6 Список використаної літератури.
6.5 Контрольні питання
6.5.1 Види пробою твердих діелектриків.
6.5.2 Основні фактори, що впливають на процес пробою твердих ізоляційних матеріалів.
6.5.3 Чому збільшується електрична міцність конденсаторного паперу після просочення його трансформаторним маслом?
6.5.4 Які вимоги висуваються до зразків випробуваних діелектриків?
6.5.5 Коли в електроізоляційних матеріалах настає тепловий пробій?
6.5.6 Коли в електроізоляційних матеріалах настає іонізаційний
6.5.7 Коли в електроізоляційних матеріалах настає електрохімічний
6.5.8 Як електрична міцність залежить від температури?
