Пробой твердых диэлектрических материалов

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1) электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2) электрический пробой неоднородных диэлектриков,

3) тепловой (электротепловой) пробой,

4) электрохимический пробой.

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия напряжения.

 

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков

Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7-10^-8 с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, возбуждая упругие колебания кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов стационарное состояние нарушается, т. е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

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 структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества.

Для однородных материалов наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях.

 

Электрический пробой неоднородных диэлектриков

Такой пробой характерен для технических диэлектриков, которые чаще всего содержат газовые включения. Так же как и электрический пробой однородного диэлектрика, он отличается весьма быстрым развитием.

Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, наблюдающиеся во внешнем однородном или неоднородном поле невысоки и мало отличаются друг от друга.

Принято считать, что в однородном поле электрическая прочность стекол, фарфора и ряда других твердых диэлектриков не зависит от толщины образца. Однако основные работы по изучению влияния степени однородности поля на электрическую прочность проводились лишь со стеклом при очень малых толщинах. С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений.

Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается у керамики, бумаги, картона, лакотканей и пр.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

Низкой электрической прочностью отличаются, диэлектрики с открытой пористостью; к таким диэлектрикам относятся мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика. Электрическая прочность их сравнительно мало отличается от таковой для воздуха; исключение составляет бумага с повышенной плотностью. Твердые диэлектрики с закрытыми порами, например, плотная керамика, характеризуются более высокой электрической прочностью. Нали­чие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах.

 

Тепловой пробой

Электротепловой (сокращенно тепловой) пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др.

Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические.

При расчетах напряжения теплового пробоя должны приниматься во внимание tg диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала.

 

Электрохимический пробой

Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.

Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено, прежде всего развитием ионизационного процесса в воздушных включениях; ионизация связана с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

 

 

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Смолы

Смолы — применяемое в практике, хотя и не вполне строгое с научной точки зрения, название обширной группы материалов, которые характеризуются как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органических веществ, главным образом высокомолекулярных), так и некоторыми общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах смолы - это аморфные, стеклообразные массы, более или менее хрупкие.

При нагреве смолы (если только они ранее не претерпевают химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твёрдое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) прочно пристают к соприкасающимся с ними твердым телам.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластических масс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов и т. п. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (пример — шеллак) или растений-смолоносов (канифоль); их получают в готовом виде и лишь подвергают сравнительно несложным операциям очистки, переплавки и т. п. Сюда же относятся ископаемые смолы (копалы), представляющие собой остатки разложившихся в земле деревьев-смолоносов.

Наибольшее значение в электрической изоляции имеют синтетические смолы — полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или других низкомолекулярных веществ, остатки которых могут ухудшить электроизоляционные свойства смолы. Кроме того, молекулы конденсационных смол, как правило, содержат полярные группы, что повышает их угол диэлектрических потерь и гигроскопичность; полимеризационные же смолы могут быть и неполярными (примеры: полимеры углеводородного состава, политетрафторэтилен).

 

Электроизоляционные лаки

Большое значение в электроизоляционной технике имеют лаки и компаунды. В процессе изготовления изоляции их используют в жидком виде, но в готовой, работающей изоляции они находятся уже в твердом состоянии. Таким образом, лаки и компаунды являются твердеющими материалами.

Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющие, так называемую лаковую основу в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку.

По применению электроизоляционные лаки разделяются на три группы: пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой, и в частности волокнистой изоляции (бумага, картон, пряжа, ткань, изоляция обмоток электрических машин и аппаратов). После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными уже не воздухом, а высохшим лаком, имеющим значительно более высокую электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. Поэтому в результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность (это важно для отвода тепла потерь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции. После пропитки органическая волокнистая изоляция в меньшей мере подвергается окисляющему влиянию воздуха, а потому ее нагревостойкость повышается.

Покровные лаки служат для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности твердой изоляции (часто — на поверхности предварительно пропитанной пористой изоляции). Такая пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту лакируемого изделия от действия влаги, растворителей и химически активных веществ, а также улучшает внешний вид изделия и затрудняет приставание к нему загрязнений.

Некоторые покровные лаки (эмаль-лаки) наносят не на твердую изоляцию, а непосредственно на металл, образуя на его поверхности электроизоляционный слой (примеры: изоляция эмалированных проводов, изоляция листов электротехнической стали в расслоенных магнитопроводах электрических машин).

К покровным лакам принадлежат также пигментированные эмали; это лаки, в состав которых входит пигмент, т. е. порошок неорганического состава (обычно - оксиды металлов), придающий пленке - определенную окраску, улучшающий ее механическую прочность, теплопроводность и адгезию к поверхности, на которую нанесен лак. В полупроводящих лаках пигментом является углерод (сажа); пленки таких лаков имеют низкое удельное поверхностное

Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твердых электроизоляционных материалов (пример: клейка листочков расщепленной слюды при изготовлении миканитов) или для приклеивания их к металлу. Помимо высоких электроизоляционных свойств и малой гигроскопичности (общие требования для всех электроизоляционных лаков), клеящие лаки должны обеспечивать особо высокую адгезию к склеиваемым материалам.

Приведенное разделение лаков по областям применения не всегда может быть выдержано достаточно строго. Так, при изготовлении гетинакса и текстолита лак, пропитывающий отдельные слои бумаги или ткани и склеивающий эти слои друг с другом, является одновременно пропиточным и клеящим.

По режиму сушки различают лаки горячей (печной) сушки, которые требуют для сушки повышенной температуры (обычно более 100° С), и лаки холодной (воздушной) сушки, которые достаточно быстро и хорошо сохнут при комнатной температуре.

Режим сушки лака определяется как его основой, так и растворителем. Если основа лака термореактивна, для сушки обычно нужна повышенная температура; лаки с термопластичной основой не требуют запекания пленки при высокой температуре.

Лаки, в состав которых входит растворитель, кипящий при высокой температуре (например, керосин), требуют печной сушки независимо от вида лаковой основы; лаки с растворителем, легко испаряющимся при нормальной температуре (например, бензин или ацетон), могут быть лаками [воздушной сушки, если только их основа не требует высокой температуры для запекания пленки. Как правило, лаки печной сушки дают более высококачественную пленку, чем лаки воздушной сушки; последние применяются в основном при ремонтных работах.

Компаунды

Компаунды отличаются от лаков отсутствием в их составе растворителя.

Они состоят из различных смол, битумов, восков, масел и др.; если компаунд в исходном состоянии тверд, его перед употреблением нагревают до необходимой температуры, чтобы получить массу достаточно низкой вязкости.

По применению компаунды делятся на две основные группы.

Пропиточные компаунды, назначение которых аналогично назначению пропиточных лаков.

Заливочные компаунды служат для заполнения сравнительно больших полостей, промежутков между различными деталями в электрических машинах и аппаратах, а также для получения сравнительно толстого покрытия на тех или иных электротехнических деталях, узлах, блоках.

Применение заливочных компаундов преследует цели защиты изоляции от увлажнения и от действия химически активных веществ, увеличения разрядного напряжения, улучшения условий отвода тепла и пр.

Наиболее старыми по времени внедрения в электропромышленность компаундами являются битумы с определённой температурой размягчения (тугоплавкие битумы требуют высокой температуры при компаундировании, но зато имеют более высокие электроизоляционные свойства, нагревостойкость и стойкость к действию растворителей). Иногда битумные компаунды используют для пропитки статорных обмоток электрических машин. По сравнению с пропиточными лаками они способны обеспечить лучшую влагостойкость и влагонепроницаемость изоляции, так как при охлаждении после пропитки затвердевают полностью и в них не остается крупных пор (каналов) — следов растворителя, испаряющегося из затвердевающего материала, что может иметь место при пропитке лаками. Для пропитки роторных обмоток битумные компаунды непригодны из-за своей термопластичности; битум, размягченный при нагреве до рабочей температуры машины, может быть выброшен из вращающейся обмотки действием центробежной силы. Чтобы несколько повысить нагревостойкость и маслостойкость битумного,компаунда, к нему примешивают некоторое количество высыхающего масла. Если же требуется понизить температуру размягчения,компаунда, к нему добавляют некоторое количество компаунда-разбавителя, т. е. битума с низкой, температурой размягчения (60—70° С). В этом, в частности, возникает необходимость, когда компаунд долгое время применялся для пропитки различных изделий и от нагрева в присутствии воздуха повысил температуру размягчения. При заполнении компаундом воздушных промежутков между катушками электрических аппаратов и металлическими кожухами существенно улучшаются условия отвода тепла, вследствие чего мощность аппарата может быть повышена. Теплоотвод можно улучшить еще больше, если применить обладающий повышенной удельной теплопроводностью кварц-компаунд, т. е. битум, смешанный с минеральным кристаллическим наполнителем — чистым кварцевым песком.

В кабельной технике большое значение имеют кабельные компаунды.