Почему в электрическом поле диэлектрик стареет
В результате длительного воздействия электрического поля, особенно при повышенной температуре, у диэлектриков (электрической изоляции) постепенно ухудшаются их основные свойства — происходит электрическое старение, которое, в конечном счете, завершается пробоем диэлектрика (выходом изоляции или диэлектрической детали из строя).
Электрическое старение под действием внутренних частичных разрядов является одним из определяющих факторов при выборе рабочей нагрузки электрического оборудования высокого напряжения. Исследования зависимости ресурса изоляции от интенсивности частичных разрядов (ч.р.) показывают, что наблюдается тенденция к меньшим срокам службы у образцов, имеющих большую интенсивность частичных разрядов.
Экспериментально установлено, что зависимость времени жизни t от напряженности электрического поля Е, характеризуется степенным законом:
Эта зависимость действует в широком интервале напряженностей и справедлива для целого спектра материалов от однородных полимеров до сложных композиционных структур.
Показатель n определяется видом изоляции и меняется от 2…4 для пленочных полимеров, до 10…15 для слюдосодержащих систем изоляции. Коэффициент А, который также определяется видом изоляции, зависит еще от размеров и качества исполнения образцов, он определяет статистическое распределение долговечности при неизменных условиях испытаний. Распределение А обычно описывается законом Вейбулла, который в интегральной форме имеет вид:
F (А)=1 — exp ( — kА) b ,
где F (А) — вероятность достижения значения А, не большего, чем заданное; k определяется размерами, b — неоднородностью образцов.
Контрольные вопросы
Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле. Свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление под воздействием напряжения называется электрической прочностью.
2. Каковы физические основы явления пробоя твёрдых диэлектриков?
Потеря диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряжением некоторого критического значения называется пробоем
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.
3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.В случае однородного поля и полной однородности материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом достигает более . Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках () близки к пробивным для объемных образцов. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты. Тепловой пробой диэлектрика обычно связан с нарушением теплового равновесия в процессе разогрева за счет джоулевых (в постоянном поле) или диэлектрических потерь (в переменном поле).
4. Почему в электрическом поле диэлектрик «стареет»?
Так как ухудшается изоляция. Из-за электрического поля происходит износ диэлектрика, приводящий к пробоям.
5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной? Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности(уменьшение сопротивления) материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал.
6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?
, где 
– длина электрода, 
– поперечное сечение электрода, следовательно, наблюдается зависимость электрической прочности от формы электродов: 
, где Uпр = I * R
7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твёрдых диэлектриков
Подача высокого напряжения на диэлектрик с целью выявления его пробивного напряжения
8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?
Во избежание возникновения пробоев в диэлектриках, следовательно, увеличении «жизни» их изоляционных свойств.
9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей
Лакоткань — гибкий электроизоляционный материал. Изготавливается из ткани, пропитанной лаком. Лак, которым пропитывают тканевые основы, после отвердевания образует на лакоткани гибкую плёнку, которая обеспечивает материалу высокие электроизоляционные свойства. Тканевая же основа обеспечивает лакоткани механическую прочность.
Конденсаторная бумага применяется в качестве диэлектрика для электрических конденсаторов. Конденсаторная бумага отличается малой толщиной ( от 1 до 30 мкм), высокой плотностью и небольшим содержанием неорганических примесей.
Вопрос. Как зависит электрическая прочность Епр от толщины диэлектрика, состоящего из тонких листов неоднородного материала?
Ответ. При использовании двух слоев изоляции Епр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды, С увеличением числа слоев изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.
Электрохимический пробой
Электрохимический пробой диэлектрика заключается в том, что при воздействии постоянных и переменных электрических полей в диэлектрике происходят электролитические процессы, приводящие к изменению химического состава и уменьшению электрической прочности. Уменьшение электрической прочности приводит с течением времени к электрическому пробою. Этот процесс называется старением диэлектрика и наблюдается как в диэлектриках органического происхождения, так и в некоторых неорганических диэлектриках. Процесс старения диэлектриков требует длительного времени. Уменьшение электрической прочности при старении диэлектрика приводит к сокращению срока службы электронного и электрического оборудования. График зависимости пробивного напряжения изоляции от времени приведен на рис. 1.16.
Рис. 1.16. Зависимость пробивного напряжения изоляции от времени
Допустим, что необходимо обеспечить длительность эксплуатации электротехнического устройства, равную Если рабочее напряжение, воздействующее на изоляцию, равно Up, то произойдет электрический пробой через интервал времени, равный r„i . Таким образом, устройство выйдет из строя через меньший отрезок времени, чем расчетная длительность эксплуатации.
Если снизить рабочее напряжение до Up 2, то пробой изоляции с учетом старения произойдет через отрезок времени t„2 > и пробой изоляции не окажется причиной выхода устройства из строя.
Электрическое старение изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения
Длительное воздействие рабочего напряжения аппарата определяет способность его изоляции выдержать влияние всевозможных факторов за время всего срока эксплуатации и численно оценивается электрической прочностью через 20-30 лет путем испытания изоляции повышенным напряжением частотой 50 Гц в течение 1 мин. Длительная эксплуатация изоляции приводит к се старению, снижению электрической прочности и ухудшению электрических характеристик (диэлектрической проницаемости и потерь). Причинами изменения этих характеристик являются: электрическое старение вследствие развития частичных пробоев при перенапряжениях (грозового и внутреннего характера) или при рабочем напряжении; тепловое старение и окисление изоляции; увлажнение изоляции, а также причины механического характера (электродинамические толчки при коротких замыканиях, вибрации и т.п.); химическое старение или электролитическое окисление. В процессе старения увеличиваются диэлектрические потери в изоляции, что приводит в дальнейшем к се пробою. Основной причиной электрического старения является развитие частичных пробоев, энергия которых тратится на разрушение молекул и ионизацию атомов, нагрев диэлектрика и излучение электромагнитных колебаний. Необратимое частичное разрушение диэлектрика накапливается, создавая кумулятивный эффект в изоляции, на что тратится несколько процессов всей энергии частичных пробоев. Характер и степень разрушения в твердом диэлектрике связаны с разрывом молекулярных связей и образованием радикалов или обратных процессов: образование молекул или присоединение радикалов. В органических диэлектриках частичные пробои вызывают выделение водорода или других газов (метан, ацетилен, углекислый газ и др.), а также углеродистых соединений со значительной проводимостью (дендриты в эпоксидном образующем терморсак- тивной изоляции, эрозия или углекислые образования по поверхности керамической, фарфоровой или стеклянной изоляции). Во многих случаях явление частичных пробоев можег вызвать микротрещины в диэлектрике.
Старение маслобарьерной и бумажной изоляции проявляется в изменении электрических и физико-химических характеристик как самого минерального масла, гак и бумаги или элскгрокартона. При этом проводимость и диэлектрические потери увеличиваются, в дальнейшем старение завершается электрическим или тепловым пробоем изоляции аппарата. Газовыдслснис в масле связано с действием сильного электрического поля (около 3 ЭВ), достаточного, чтобы свободные электроны разрушили молекулу углерода с отщеплением атома водорода. Интенсивность газовыделения при наличии частичных пробоев или в его отсутствие зависит от химического состава масла, поэтому количество трансформаторного масла определяется месторождением нефти, возможными присадками и его очисткой [2].
Тепловое старение диэлектрика связано с рабочей температурой аппарата. Возможность повышения температуры ограничивается свойствами изоляции, так как чем выше температура, тем быстрее происходит химическое старение и осуществляется процесс химических реакций. Например, при повышении температуры химическое разложение целлюлозы характеризуется уменьшением степени полимеризации, при этом укорачиваются цепочки молекул, уменьшается гибкость и механическая прочность бумаги и картона.
Изоляционная конструкция во многих аппаратах в рабочем режиме соприкасается с воздухом, при этом возможно увлажнение. Процесс увлажнения масла в трансформаторах может быть от трех агрегатных состояний влаги: эмульгированное (пленка), молекулярнорастворенное (диполи) и газообразное (молекула влаги в газовой полости). Растворимость воды зависит от химического состава масла. Наибольшей растворимостью обладают непредельные и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые. Наличие воды в масле снижает его электрическую прочность и увеличивает диэлектрические потери. Причем влияние воды сильнее сказывается, когда оно находится в эмульгированном состоянии, чем в молекулярпорастворимом.
Влажность увеличивает скорость термического старения, способствует разрушению молекул органического диэлектрика, ухудшает физико-технические характеристики.
Теоретические положения. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля − электрической прочностью диэлектрика.
Пробивное напряжение обозначается Uпр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:
где h – толщина диэлектрика, см.
Воздух как диэлектрик имеет следующие положительные свойства:
– быстро восстанавливает прочность после пробоя;
– имеет невысокую стоимость.
Поэтому воздух является изоляцией многих высоковольтных конструкций и аппаратов: линий электропередач, трансформаторов, выключателей и
т. д. Однако воздух имеет очень низкую прочность (существенно ниже, чем жидкие и твердые диэлектрики).Электрическая прочность воздуха зависит от давления, температуры и относительной влажности, а также формы электродов.
В лабораторной работе рассматриваются три стандартных промежутка:
Эти промежутки выбраны не случайно. Разрядные напряжения промежутка острие-плоскость близки к реальному промежутку провод-земля, а разрядные напряжения промежутка острие-острие – к реальному провод-провод.
Пробой воздуха обуславливается наличием ударной ионизации и фотоионизации. При наличии электрического поля свободные заряды (электроны и ионы) получают некоторую добавочную скорость в направлении поля и приобретают дополнительную энергию
где q – заряд частицы; Uλ – падение напряжения на длине свободного пробега.
Если поле однородно, то можно считать Uλ = E·λ, где Е – напряженность поля в газе; λ – средняя длина свободного пробега заряженной частицы. Отсюда получаем W = E∙q∙λ.
Электроны приобретают бóльшую энергию, так как они более подвижны и имеют бóльшую длину свободного пробега, чем ионы. При столкновении с молекулой газа электроны передают ей полученную от поля добавочную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул, то есть их расщепление на электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны могут ионизировать новые молекулы. Так возникает нарастающий поток электронов − лавина. Условием, определяющим возможность ионизации, является
где Wи – энергия ионизации молекулы.
Однако одной лавины не достаточно для пробоя воздушного промежутка. В небольших промежутках пробой происходит в форме стримеров, которые развиваются следующим образом. В большинстве случаев электрон, разгоняемый полем, не ионизирует молекулу, а приводит ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения, испуская фотон. Если фотон поглощается молекулой, то она может ионизироваться. Фотоны, обладая скоростью 3×10 8 м/с, обгоняют лавины электронов и вызывают образование новых лавин, что приводит к быстрому нарастанию числа лавин и развитию токопроводящего канала – стримера. Как только заполненный плазмой стример достигнет другого электрода, происходит искровой пробой, сопровождающийся резким увеличением тока.