Определение электрической прочности твердых диэлектриков

 

Цель работы: Изучить и освоить методику определения электрической прочности твердых диэлектриков.

 

Общие теоретические сведения

Пробивное напряжение и электрическая прочность

Минимальное напряжение U_пр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след-трекинг. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Снижение U_пр от времени происходит из-за электрического старения изоляции - необратимых процессов под действием тепла и электрического поля.

Свойство диэлектриков выдерживать высокое напряжение количественно выражается напряженностью электрического поля. Величина напряженности электрического поля, при которой произошел пробой диэлектрика, называется электрической прочностью:

E_пр = U_пр/h, где

Е_пр, В/м;

где U_пр – величина напряжения электрического пробоя, В;

h – толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково: 1 МВ/м=10⁶ В/м=1 кВ/мм.

 

Пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10^-5 - 10^-8 с. Е_пр при электрическом пробое зависит главным образом:

• от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

• от температуры;
• частоты приложенного напряжения;
• геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10^-4 - 10^-5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Е_пр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10² - 10³ МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 10² МВ/м.

Электрический пробой зависит от однородности электрического поля. Определить степень неоднородности можно по конфигурации электродов. Электрический пробой происходит мгновенно, при этом в наиболее ослабленных листах неоднородной структуры диэлектрика образуется канал высокой проводимости. В проводимости участвуют как примесные (свободные) носители зарядов, так и носители зарядов самого диэлектрика, которые образуются за счет разрыва структурных связей.

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q₁ становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости. При этом сопротивление нагретого участка (канала) непрерывно уменьшается. В этом случае рассматривается тепловой баланс энергий нагретого участка, поскольку в нем выделяется тепловая энергия по закону:

Q₁ = 0,24 U² S/a γ₀ e^α(t-t0),

но отдается часть энергии в окружающую среду (уравнение теплоотдачи)

Q₂ = k (t-t₀)·α,

где S – площадь электродов, м;

α – толщина диэлектрика, м;

γ₀ e^α(t-t0) – активная проводимость диэлектрика,

k – коэффициент теплоотдачи.

Вполне очевидно, что если Q1 > Q2, то произойдет электротепловой пробой.

Поэтому в условиях эксплуатации электроустановок рабочее напряжение изоляционных конструкций выбирается значительно ниже напряжения пробоя. Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2-10^-3 с при Е_пр около 10 МВ/м. Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача. Е_пр при тепловом пробое уменьшается:

• при увеличении температуры;
• при увеличении времени выдержки образца под напряжением;
• при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (U_пр с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10³-10⁸ с.

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя. Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации, так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается. Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика. Электротермический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

 

 

Лабораторная установка

Стенд состоит из двух блоков, измерительного и высоковольтного, соединенных между собой высоковольтным и блокировочным кабелями. Измерительный блок устанавливается на стойку и штатив. Внешний вид блоков приведен на рис. 1,2,3,4.

 

Рис. 1. Передняя панель высоковольтного блока

 

1. Цифровой индикатор выходного напряжения.

2. Выключатель сетевого питания. «СЕТЬ»

3. Сетевой индикатор «ПРОБОЙ».

4. Кнопка «ЗАПУСК».

5. Кнопка «СБРОС».

 

 

 

Рис.2. Задняя панель высоковольтного блока

 

 

1. Высоковольтное гнездо «ВЫХОД 0…25 кВ».

2. Кнопка блокировки сети.

3. Гнездо блокировки сети.

4. Клемма защитного заземления.

5. Гнездо подключения сетевого шнура.

6. Держатели предохранителей.

 

Рис. 3. Передняя панель измерительного блока

 

1. Измерительная головка. 2. Рычаг перемещения подвижного стержня.

3. Подвижный стержень. 4., 5. Электроды подвижного стержня.

6. Положительный электрод. 7. Ручка коррекции установки «0».

8. Винты грубой установки «0». 9. Винты прижимной планки.

10. Прижимная планка.

 

Сверху на измерительном блоке расположена измерительная головка для измерения толщины образца с ручкой коррекции установки "0" и рычагом перемещения подвижного стержня. Внутри измерительного блока расположены измерительная камера, в которую введен подвижный стержень измерительной головки. На стержне расположены испытательные электроды четырех типоразмеров, которые меняются посредством вращения.

Электроды измерительного стержня электрически соединены с корпусом (общим проводом) высоковольтного блока и клеммой защитного заземления, расположенной на задней стенке измерительного блока.

 

 

 

Рис. 4. Задняя панель измерительного блока

 

1. Защитный щиток.

2. Клемма заземления.

3. Штырь разъема высоковольтного кабеля.

4. Стойка.

5. Лабораторный штатив.

6. Разъем блокировки сетевого питания высоковольтного блока.

 

Стол измерительной камеры выполнен из изоляционного материала, с вмонтированным электродом, на который подается положительный испытательный потенциал с выхода высоковольтного блока посредством соединительного кабеля с высоковольтным коаксиальным разъемом, снабженным штырем, управляющим кнопкой БЛОКИРОВКА СЕТИ высоковольтного блока. При отсоединенном разъеме эта кнопка отключает электропитание от высоковольтного блока.

Внутри измерительной камеры расположено устройство крепления испытуемого образца и две стойки с винтами предварительной установки "0" измерительной головки. Измерительная камера снаружи закрыта защитным прозрачным щитком, который при открывании блокирует, посредством вмонтированного в измерительный блок концевого выключателя, электропитание высоковольтного блока, подводящееся к нему посредством соединительного кабеля от гнезда БЛОКИРОВКА СЕТИ.

В основании измерительного блока имеется отверстие для установки его на стойку и штатив.

Подготовка стенда к работе

Подготовьте образец диэлектрического материала к испытаниям. Для
испытания используйте образцы прямоугольной или круглой формы. Отсутствие поверхностного пробоя и искажения результатов испытаний гарантируется во всем диапазоне испытательного напряжения при расстоянии между соседними точками пробоя или точкой пробоя и краем образца не менее 45 мм.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Выключите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

2. Плавно поднимите защитный щиток измерительного блока.

3. Вращением винтов поднимите прижимную планку устройства крепления образца поз. 10 рис. 3.

4. Легким нажимом на боковой рычаг поз.2 рис.3 поднимите подвижный стержень вверх и введите между электродом и столом измерительной камеры испытуемый образец, после чего плавно отпустите боковой рычаг головки.

5. Вращением винтов опустите прижимную планку устройства крепления образца.

6. Плавно опустите защитный щиток измерительного блока.

7. Зафиксируйте значение толщины образца по показаниям индикатора измери­тельной головки.

8. Включите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

9. Нажмите и отпустите кнопку ЗАПУСК высоковольтного блока. При этом на цифровом индикаторе будут отображаться значения линейно возрастающего испытательного напряжения.

10. При возникновении пробоя (начинает светиться индикатор ПРОБОЙ и срабатывает звуковая сигнализация) зафиксируйте показания цифрового индикатора (гарантированное время фиксации значения напряжения пробоя 20с).

11. Нажмите и отпустите кнопку СБРОС высоковольтного блока. При этом показания цифрового индикатора обнуляются.

12. Выключите питание стенда нажатием клавиши СЕТЬ высоковольтного блока.

13. Плавно поднимите защитный щиток измерительного блока.

14. Вращением винтов поднимите прижимную планку устройства, крепления образца.

15. Легким нажимом на боковой рычаг измерительной головки поднимите подвижный стержень вверх и сместите испытуемый образец для получения новой точки пробоя.

16. Повторите последовательно операции согласно п 5-15.

17. При необходимости смены типоразмера испытательного электрода, повторите последовательно операции согласно п 5-15.

18. Произведите пробой двух, трех, четырех слоев кабельной бумаги и результаты занести в таблицу.

 

Толщина образца h, мм	Uс, В	Uпр = Uc·Kт, кВ	Uпр.ср, кВ	Eпр, кВ/мм
0,24 0,36 0,48

 

19. По данным таблицы постройте зависимости U_пр = f(h), E_пр = f(h).

20. По окончании работы стенд должен быть отключен от питающей сети, а защитный щиток опущен вниз.

 

 

Лабораторная работа №4