Электрическая прочность диэлектриков

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.

Прочность — воздух

Прочность воздуха при нормальном давлении настолько меньше прочности твердых диэлектриков, что пробой происходит чаще по воздуху вдоль твердого диэлектрика, чем внутри него.
 

Электрическая прочность водорода значительно меньше, чем прочность воздуха при том же давлении.
 

В табл. 3.7 приведены температуры кипения некоторых газов и электрические прочности по отношению к прочности воздуха

Обращает на себя внимание очень высокая электрическая прочность высокомолекулярного соединения С14р24, которая достигает десятикратного значения по отношению к прочности воздуха.
 

На рис. 16.4. показано, что электрическая прочность перфорированных углеводородов ( газов и паров) превышает прочность воздуха в 6 — — 10 раз. У них низкая по сравнению с жидкими диэлектриками плотность, более высокая нагревостойкость и стойкость к старению. Применение этих материалов позволяет снижать вес электрических устройств и увеличивать термический диапазон их работы при улучшении электрических характеристик.
 

Электроотрицательный газ ( SF6) ломимо высокой электрической прочности, превышающей в 4 — 5 раз прочность воздуха, обладает свойством захватывать электроны. Электроны прилипают к тяжелым молекулам этого газа, становясь малоподвижными отрицательными ионами, что существенно уменьшает электрическую проводимость газа и способствует погасанию дуги.
 

Свойства элегаза характеризуют следующие данные: электрическая прочность в 2 3 — 2 5 раза превышает прочность воздуха. Теплоемкость равна 70 % теплоемкости воздуха при атмосферном давлении.
 

Если между изоляционными деталями находятся воздушные включения, то из-за более низкой диэлектрической проницаемости воздуха по сравнению с маслом и твердой изоляцией напряженность электрического поля в воздушных включениях оказывается более высокой, чем в масле. Электрическая же прочность воздуха относительно низка. Поэтому воздух ионизируется и, став проводящим, обусловливает искажение электрического поля в масле. В результате могут возникнуть разряды по поверхности твердой изоляции.
 

При пропитке электрическая прочность изоляции возрастает вследствие того, что пропитывающий состав заполняет поры, пустоты и прослойки, вытесняя из них воздух. Электрическая же прочность воздуха ниже, чем прочность пропитывающих составов.
 

Недостатком тарелочных изоляторов является малая толщина изолирующего материала между шапкой и пестиком, вследствие чего он несет большую электрическую нагрузку. Действительно, электрическая прочность керамики значительно превышает прочность воздуха, что полностью исключает возможность пробоя изолирующего стержневого изолятора.
 

Элегаз ( SF6 — шестифтористая сера) представляет собой инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2 — 3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0 2 МПа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла.
 

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:

Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Материалы по теме:

• Защита кабеля от механических повреждений
• Измерение сопротивления изоляции кабеля
• Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях

Опубликовано:
26.09.2019
Обновлено: 26.09.2019

Электрическая прочность — стекло

Электрическая прочность стекла при электрическом пробое не зависит от состава стекла, при тепловом пробое сильно зависит, так как обусловлена диэлектрическими потерями. В переменном электрическом поле электрическая прочность лежит в пределах 17 — 80 кв / мм.
 

Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. ПГ) оказывают воздушные включения — пузыри в толще стекла.
 

Электрическая прочность стекол зависит от состава так же, как удельное сопротивление: наибольшую электрическую прочность имеют боросиликатные стекла, наименьшую — щелочные.
 

Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава.
 

Электрическая прочность стекол зависит от состава так же, как и удельное сопротивление: наибольшую электрическую прочность имеют боросиликатные стекла, наименьшую — щелочные.
 

Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. При высоких частотах или при высоких температурах пробой стекла имеет тепловой характер.
 

Принято считать, что в однородном ноле электрическая прочность стекол, фарфора и других твердых диэлектриков не зависит от толщины образна. Однако основные работы по изучению влияния степени однородности ноля на электрическую прочность проводились лишь со стеклом при очень малых толщинах образцов — от 0.05 до 0 2 — 0 5 мм, когда число дефектов невелико. Из рис. 4 — 8 и 4 — 9 видно, что с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает число газовых включений и снижаются электрические прочности как в однородном, так и в неоднородном поле.
 

Свойства различных стекол описаны в табл. 2.5. Электрическая прочность стекол зависит от посторонних включений ( газовых и др.) — Она достигает значений порядка 50 МВ / м в постоянном поле, в переменных полях и полях ВЧ она значительно ниже.
 

Каучук

Каучук (резина) получается из сока растений каучуконосов. Такой каучук называют натуральным (НК). Каучук можно получить также искусственным путем. Искусственный или синтетический каучуке (СК) изготовляют из спирта или нефтепродуктов. Нагретый до 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низкой температуре – хрупким. Каучук хорошо растворяется в углеводородах и сероуглероде. Для увеличения механической прочности, нагревостойкости и морозоустойчивости, стойкости к растворителям к каучуку добавляют 3 – 10 % серы. Этот процесс называется вулканизацией, в результате чего получается резина. В электротехнике резину применяют для изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей некоторых конструкций, для изолирующих трубок, защитных перчаток, галош, ковриков и тому подобного. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, непроницаемостью для воды и газов, имеет невысокую нагревостойкость (при нагреве свыше 60 – 75 °С резина делается хрупкой и трескается), при действии на резину нефтяных масел она набухает, при действии света – стареет. Электрическая прочность резины 24 кВ/мм; ε = 2,5 – 3.

Электродные системы электрических фильтров

• каждая частица загрязнения должна достигнуть поверхности осадительного электрода;
• каждая частица, достигнувшая осадительного электрода, должна надежно удерживаться на его поверхности до момента ее удаления при чистке.

• увеличение скорости дрейфа W;
• снижение скорости воздушного потока Vв.п.;
• увеличение длины S осадительных электродов по ходу движения воздуха;
• уменьшение межэлектродного расстояния L, что приведет к уменьшению расстояния A (которое необходимо преодолеть частице, чтобы достигнуть осадительного электрода).

• электрический разряд в электродной системе не протекает (ионизационные процессы отсутствуют), поэтому токсичные газы не вырабатываются;
• в межэлектродном пространстве образуется однородное электрическое поле, поэтому пробойная прочность межэлектродного промежутка выше, чем эквивалентного промежутка с коронирующим электродом.

Пример: рассмотрим два промежутка с одинаковым межэлектродным расстоянием L=30мм: с коронирующим электродом и с пластинчатым электродом; пробойное значение средней напряженности для промежутка с неоднородным полем не превышает 10кВ/см ; пробойная прочность промежутка с однородным полем составляет около 28кВ/см, (более, чем в 2 раза выше).

• уменьшится расстояние, которое необходимо преодолеть заряженной частице, чтобы достигнуть осадительного электрода;
• увеличится пробойная прочность межэлектродного промежутка (видно из уравнения критической напряженности воздушного промежутка), благодаря чему будет возможно обеспечить еще более высокие значения напряженности электрического поля в зоне осаждения.

Например, пробойная напряженность при межэлектродном расстоянии L=30мм составляет около 28кВ/см, а при L=6мм – около 32кВ/см, что на 14% выше.

Электрическая прочность — воздух

Известно, что при нормальных условиях электрическая прочность воздуха 3 — 106в / л, но это не означает, что если измеряемая напряженность поля меньше, то формирование разрядов, обладающих воспламеняющей способностью невозможно. Разряды возникают и в полях с напряженностью 0 5 — 105 в / м и ниже. Это происходит потому, что напряженность поля измеряют в практически удобных точках. Учесть локальные усиления напряженности поля при возникновении волн на поверхности жидкости или на выступающих конструкциях практически невозможно.
 

Как видно из этих кривых, электрическая прочность воздуха, находящегося в движении, в 1 5 — 2 раза меньше электрической прочности неподвижного воздуха при одних и тех же давлениях.
 

Электрическая прочность непропитанных текстильных материалов определяется электрической прочностью воздуха в сквозных отверстиях между нитями, а потому весьма мала. Путем пропитки лаком ( см. ниже) можно закрыть эти отверстия лаковой пленкой и этим резко повысить электрическую прочность ткани и ее влагостойкость.
 

Электрическая прочность непропитанных текстильных материалов определяется электрической прочностью воздуха в сквозных отверстиях между нитями, а потому весьма мала. Путем пропитки лаком ( см. ниже — лакоткани) можно закрыть указанные отверстия лаковой пленкой и этим резко повысить электрическую прочность ткани, одновременно улучшив ее влагостойкость.
 

Электрическая прочность непропитанных текстильных материалов определяется электрической прочностью воздуха в сквозных отверстиях между нитями, а потому весьма мала. Путем пропитки лаком ( см. ниже) можно закрыть эти отверстия лаковой пленкой и этим резко повысить электрическую прочность ткани и ее влагостойкость.
 

МПа и температуре около 20 С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет аримерно 3 Л1В / м; она достигает 70 МВ / м при h 5 мкм. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа.
 

Под влиянием пониженного давления резко снижается как электрическая прочность воздуха, так и электрическая прочность изоляции вследствие ионизации воздуха в ее порах; при этом облегчаются условия возникновения коронного разряда.
 

МПа и температуре около 20 СС, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3 МВ / м; она достигает 70 МВ / м при h 5 мкм. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа.
 

Следовательно, необходимо рассмотреть также процессы восстановления электрической прочности воздуха после гашения дуги.
 

С уменьшением давления существенно изменяется диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность воздуха, что следует учитывать при проектировании радиоприемных устройств.
 

При изменении частоты приложенного напряжения в небольших пределах электрическая прочность воздуха не меняется, например при 50 и 60 гц она практически одинакова.
 

При изменении частоты приложенного напряжения в небольших пределах электрическая прочность воздуха не меняется, например при 50 и 60 гц, она практически одинакова.
 

Электрическая прочность — воздух

Электрическая прочность воздуха достигает минимальной величины при атмосферном давлении в несколько миллиметров ртутного столба.
 

Электрическая прочность воздуха, как и других газов, зависит от температуры, давления и ряда других обстоятельств. При нормальной температуре ( 20 С) и нормальном давлении ( 760 мм рт. cm) электрическая прочность воздуха 30 кв / см меньшая, чем у большинства жидких и твердых диэлектриков. Поэтому иногда наблюдается пробой воздушного промежутка непосредственно у поверхности твердого диэлектрика ( изолятора), который называется поверхностным разрядом.
 

Электрическая прочность воздуха при повышении давления значительно возрастает, при понижении давления — уменьшается: при достижении глубокого вакуума электрическая прочность воздуха и других газов вновь возрастает.
 

Электрическая прочность воздуха, как и других газов, зависит от температуры, давления, влажности, примесей. При нормальной температуре ( 20 С) и нормальном давлении ( 10Б Па) электрическая прочность воздуха ( 30 кВ / см) меньшая, чем у большинства жидких и твердых диэлектриков. Поэтому иногда наблюдается пробой воздушного промежутка непосредственно у поверхности твердого диэлектрика ( изолятора), который называется пов ерхностным разрядом.
 

Электрическая прочность воздуха зависит от условий погоды: влажности, температуры, барометрического давления.
 

Электрическая прочность воздуха зависит от величины зазора, формы электродов и давления.
 

Электрическая прочность воздуха зависит от условий погоды: влажности, температуры, барометрического давления.
 

Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты переменного электрического поля, то снижаясь, то повышаясь в различных диапазонах частот.
 

Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков. Пробой воздуха, как и других газов, следует рассматривать, как следствие развития процессов ударной и фотоионизации.
 

Снижение электрической прочности воздуха при пониженном атмосферном давлении создает опасность пробоя воздушных зазоров и перекрытий по поверхности конденсаторов.
 

Вообще же электрическая прочность воздуха при нормальных условиях зависит от расстояния между электродами. Эта зависимость представлена на рис. 2 — 6 при пробое в однородном поле.
 

На величину электрической прочности воздуха, как и других газов, оказывает большое влияние давление. При повышении давления электрическая прочность газов существенно возрастает. Это обстоятельство используется в некоторых электрических аппаратах и в специальных конструкциях кабелей. Наоборот, при понижении давления электрическая прочность воздуха и других газов уменьшается; однако при достижении очень глубокого вакуума электрическая прочность вновь сильно повышается.
 

Электрическая прочность — воздух

При изменении частоты приложенного напряжения в небольших пределах электрическая прочность воздуха не меняется, например при 50 и 60 Гц она практически одинакова. При переходе к более высоким частотам электрическая прочность падает с ростом частоты сначала быстро, потом медленно, достигая при частоте около 1 МГц минимума; при дальнейшем повышении частоты электрическая прочность начинает довольно быстро расти, достигая значений, превосходящих полученные при постоянном напряжении. Такая зависимость электрической прочности от частоты объясняется следующим образом: падение с ростом частоты вызвано искажением поля вследствие образования положительных пространственных зарядов в высокочастотном поле из-за сравнительно малой подвижности положительных ионов, которые не успевают достигать электродов за полпериода; увеличение с дальнейшим ростом частоты при весьма больших частотах вызвано затруднением развития пробоя за очень малое время полупериода.
 

По предварительным результатам у-излучение оказывает незначительное влияние на электрическую прочность воздуха.
 

Электрическая прочность волокнистых электроизоляционных материалов определяется в основном электрической прочностью воздуха, находящегося между волокнами этих материалов. Пропитка обеспечивает заполнение межволоконных промежутков составом, имеющим высокую электрическую прочность, в результате увеличивается электрическая прочность пропитанного изделия в целом.
 

Отношение поляризующего напряжения к расстоянию между электродами определяется электрическими прочностями воздуха и тонкого слоя диэлектрика, покрывающего электроды. В / мм конденсатор пробивается, поэтому при расстоянии, равном 20 мкм, поляризующее напряжение берут не ( более 150 В.
 

Пробой должен начаться в воздушной прослойке, так как электрическая прочность воздуха значительно ниже, чем у стекла, и в то же время напряженность электрического поля в воздухе в е, раз выше, чем в стекле.
 

Влияние пониженного давл ения сказывается прежде всего на снижении электрической прочности воздуха.
 

Такое конструктивное оформление выключателя было предложено фирмой для повышения электрической прочности воздуха в зоне образования дуги. По мнению фирмы, оно давало возможность создавать лучшие условия гашения дуги при значительно более высоких напряжениях отключаемого тока. Мысль поместить оба контакта выключателя в зону повышенного давления воздуха позднее была использована фирмой ДЖИИ при создании выключателей с гашением дуги сжатым воздухом.
 

Наиболее важным фактором, связанным с понижением атмосферного давления, является электрическая прочность воздуха. При понижении атмосферного давления электрическая прочность воздуха уменьшается, что повышает опасность пробоя при увеличении высоты. Это значит, что уменьшается допустимое рабочее и пробивное напряжение конденсаторов с воздушным диэлектриком, уменьшается допустимое напряжение между, элементами — и соединительными проводами, а также между ними и корпусом прибора.
 

Как видно из рис. 1 — 30, при 50 гц электрическая прочность воздуха существенно зависит от степени равномерности электрического поля: пробивное напряжение электродов типа игла — плоскость в несколько раз меньше пробивного напряжения между шарами, при этом в последнем случае оно увеличивается с увеличением диаметра электродов.
 

Приведенное рассмотрение справедливо при условии, что электрическая прочность диэлектрического материала выше электрической прочности воздуха. Практически в сантиметровом и дециметровом диапазонах это ftipa — веДливо ( см. табл. 1.1 — 1.6) для подавляющего большинства применяемых диэлектрических материалов.
 

Таким образом, повышение давления сжатого воздуха в дуговом промежутке увеличивает электрическую прочность воздуха между контактами и, следовательно -, повышает мощность, которую может отключить данное дугогасительное устройство.
 

При расстояниях между электродами ( однородное поле) 1 — 3 см электрическая прочность воздуха Епр принимается равной 30 кв макс / сж21 3кв / сж.
 

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

• Толщины изоляции;
• Диэлектрической проницаемости;
• Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
• Тип диэлектрика;
• Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

 Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

• Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
• Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
• Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей.  Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако  все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость.  Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Заключение

Технология и особенности эксплуатации радиоэлектронного и электротехнического оборудования определяют разные требования к параметрам диэлектрических материалов.

Применяемые в практических целях изоляторы в своем объеме имеют немного электронов, поэтому при постоянном напряжении они пропускают минимальный ток, называемый током утечки.

Если при повышении напряжения, приложенного к изоляции, значение напряженности поля в диэлектрике будет превышать определенную величину, изолятор теряет свои электроизолирующие характеристики.

Сквозной ток, который протекает через изолятор, увеличивается, а его сопротивление снижается, в результате чего наблюдается короткое замыкание электродов.

Подобное явление называют пробоем диэлектрика. В том случае, когда напряжение, которое прикладывается к диэлектрику, достигает критического значения, наблюдается резкое увеличение сквозного тока, напряжение на электродах уменьшается, в результате необратимых изменений снижается электрическое сопротивление изолятора.

В зависимости от параметров мощности и изоляции энергии, после пробоя возникает искра, что приводит к плавлению, обгоранию, растрескиванию, а также иным изменениям и диэлектрика, и электродов.

При правильном подборе электроизоляционных материалов можно обеспечить бесперебойную работу электроприборов и технических устройств.