ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Цель работы

Определения и исследование электрической прочности композиционных (слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты.

Домашнее задание

1. Физические основы и основные особенности электрического, электротеплового и электрохимического пробоев твердых диэлектриков.

2. Влияние условий окружающей среды на электрическую прочность твердых диэлектриков.

3. Стандартный метод определения электрической прочности твердых диэлектриков на переменном токе.

4. Порядок проведения работы и обработка результатов измерений. Оформление отчета по проделанной работе.

Теоретические основы работы

В литературе приводятся различные механизмы пробоя твердых диэлектриков, но при пробое твердых диэлектриков. Наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя. В чистом виде при пробое ни один из механизмов не встречался.

Электрический пробой – разрешение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрушение связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5-10-8с.

Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются в так называемые частичные разряды. В результате элктронно-ионной бомбардировке стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический 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.

Электромеханический 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.

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 103-108с.

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику и приводящее к образовании. 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.

Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции – необратимых процессов под действием тепла, и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

Eпр= Uпр /d,

Где Eпр, В/м; Uпр - пробивное напряжение, В; d – толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/м.

Для экспериментального исследование пробоя используют электроды различной формы, между которыми помещают диэлектрик. Испытания диэлектриков на пробой проводят в однородном и неоднородном электрических полях. В газообразных и жидких диэлектриках однородность поля обеспечивает обычно путем придания поверхности электродов определенной формы, например сферической с радиусом R, значительно превышающим расстояние h между их ближайшими точками или используют электроды Роговского, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям и обеспечивает однородность электрического поля в средней чести между электродами.

Приблизительно однородное поле в твердых диэлектриках можно получить, если подвергнуть их механической обработке, выдавливая или высверливая в них лунки со сферической поверхностью. Такая обработка может нарушить структуру диэлектрика, поэтому необходимо контролировать качество образцов. Для установления простейших закономерностей и механизма пробоя диэлектриков этот процесс проводят в однородном и неоднородном электрических полях. Для получения неоднородного опля используют электроды типа острие-острие или острие-плоскость. Значение Uпр в неоднородном поле значительно меньше, чем в однородном из-за повышения среднего значе6ния напряженности поля Eср= Uпр /h вблизи электрода с малым радиусом кривизны.

В данной лабораторной работе для исследования влияние формы электродов на пробой твердых диэлектриков используются четыре типа электродов: плоскость-плоскость (верхний электрод - торец цилиндра, представляющий собой плоскость с закругленными краями); сфера большого и малого радиуса – плоскость; острие-плоскость.

Большое практическое значение имеет задача изучения электрической прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектриков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бумага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая прочность (Епр) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точечных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и прослойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия газовых включений.

Как на постоянном, так и на переменном токе Епр слоистого диэлектрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений.

Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состоящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном – удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределения напряженностей определяется формулами:

E1/E2= ε 2/ε1; E 1/E2= γ 2/ γ 1

Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлектрическая проницаемость εб=4,5, а у масла εм=2,2, и, соответственно, удельная электрическая проводимость γб=10-11 (Ом·м)-1, γм=10-9 (Ом·м)-1, то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на переменном токе напряженность электрического поля больше в слое масла, а на постоянном - в слое бумаге. Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньших напряжениях, чем на постоянном. Этому способствует также и наличие воздушных включений неизбежных в многослойных диэлектриках, в котором на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению электрической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азоты, разрушающие бумагу. Этот процесс называют старением.

В зависимости электрической прочности от числа листов пропитанной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для пакета из 6-7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в самом диэлектрике. Рост Епр в таком случае можно связать с уменьшение вероятности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете, а уменьшение неоднородности электрического поля и неоднородности слоистого диэлектрика(пакета листов).

В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напряжения и электрической прочности, а также определение разброса – разности между максимальной и минимальной измеренными величинами. Так как физическое явление пробоя диэлектрика имеет статический характер, то множество измеряемы величин обычно укладывается в нормальное распределение. Для статической оценки совокупности значений Uпр предусматривается расчет следующих величин статических параметров: разброса значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэфицента вариации и асимметрии, эксцесса и контрэкцесса, 90% доверительного интервала. Следует иметь ввиду, что в ряде случаев, для характеристики опытных данных по пробою диэлектриков могут кроме нормального распределения использоваться логарифмически нормальное распределение, распределение Вейбулла и двойное экспоненциальное распределение. Поэтому, прежде всего, необходимо построить гистограмму для большого количества опытов и определить, подчиняется ли нормальному распределению непосредственно контролируемые величины.

Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности, характеризующую идеальный диэлектрик и, по-видимому, мало отражающую прочность реальных материалов; область модальных значений, отражающую процессы в реальном диэлектрике с внутренне присущими ему микроскопическими дефектами; область минимальных пробивных значений, соответствующую минимальным вероятностям разрушения изоляции. Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соответствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными.

Отчет по лабораторной работе представляет собой электронный документ в формате Microsoft Word и должен содержать:

· Наименование лабораторной работы;

· Текст задания

· Формулы, используемые для обработки результатов экспериментов;

· Таблицы содержащие результаты экспериментов;

· Результаты статистической обработки эксперимента;

· Графики экспериментальных зависимостей;

· Объяснение полученных экспериментальных зависимостей.

Контрольные вопросы

1. Что такое электрическая прочность диэлектриков?

2. Каковы причины пробоя диэлектриков?

3. Характерные черты электрического и теплового пробоев.

4. Методика измерения пробивного напряжения.

5. Причины “старения” диэлектрика в электрическом поле.

6. Свойства конденсаторных бумаг и лакотканей.

7. Каковы особенности пробоя композиционных (слоистых) диэлектриков?

8. Почему явление пробоя диэлектриков носит статистический характер?