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.
Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Uпр от влияния различных факторов. Пусть
Q1 = U 2 ω C tgδ,
Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то tgδ = tgδ0 exp[a(T- T0)], где а и tgδ0 зависят от природы диэлектрика, Т0 - температура окружающей среды (электродов), T - температура диэлектрика. Количество отводимого тепла определяется равенством
Q2 = 2σS(T- T0), где σ - суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду, S - площадь электрода.
Из графического представления зависимости Q1 и Q2 от температуры (рис. 19) видно, что при U1 и T1 будет устойчивое тепловое равновесие Q1 = Q2; при U2, T2 и U1, T3 - состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой. Видно, что U3 = Uпр. Из условия теплового равновесия Uпр =2σ S (Tкр-To)/(2π f C tgδo) • exp[-a(Tкр-To)/2], где Tкр соответствует температуры T2 и T3.
Тепловой пробой обычно происходит в течение 10 -2 -10 -3 с, а Eпр около 10 МВ/м.
Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача. Eпр при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Uпр )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 - 108с.
В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.
Ионизационный пробойможно 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.
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.
28 К термическим характеристикам относятся: теплопроводность, температура размягчения и воспламенения материала, нагрево- и холодостойкость, стойкость к термоударам.
Теплопроводность - важная теплофизическая характеристика, определяется согласно выражению
Q = - l dT / dx, где Q -количество переданного тепла в единицу времени, dT/dx - температурный градиент, l - теплопроводность.
Абсолютный стационарный метод - метод неограниченного плоского слоя, заключается в измерении теплового потока, создающего градиент температур в образце.
Температура размягчения определяется для битумов, восков, полимерных компаундов. Метод кольца и шара заключается в следующем. В латунное кольцо заливается материал, ставится на шайбу. На материал помещается шарик (9,5 мм), охлажденный до температуры 5С. Затем нагревают со скоростью 5 С/мин. При размягчении материал продавливается и когда достигнут определенного уровня, фиксируют температуру.
Температуру размягчения пластмасс производят путем измерения деформации образца под нагрузкой.
Температура вспышки - такая температура, при которой пары жидкого или расплавленного диэлектрика образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с посторонним источником зажигания. Медленно разогревают и проводят горелкой по краю тигля - появление первого синего пламени над поверхностью означает достижение .
Далее продолжают нагревание и подносят пламя через каждые 2 ºС до достижения следующей температурной точки материала.
Температура воспламенения - такая температура, когда жидкость воспламеняется и продолжает гореть после удаления горелки не менее 5 сек.
Нагревостойкость - способность материала без повреждения переносить действие повышенных, по сравнению с рабочей, температур. Фактически это испытание на термическое старение. Погружают в термостат, выдерживают определенное время и подвергают воздействию неосновного разрушающего фактора (механических усилий, электрического напряжения или влажности).
Холодостойкость - тоже, только охлаждают. Сравнивают механические характеристики (хрупкость) при нормальных условиях и при пониженной температуре.
Стойкость к термоударам - для хрупких материалов. Например, фарфоровые изоляторы по ГОСТу, должны выдерживать трехкратное нагревание и охлаждение без ухудшения основных свойств. 29 Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия ионизации) понижена в e раз. Это можно показать рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов +e и -e, разошедшихся на расстояние r W = e2/(4pe0er). Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды взаимодействуют со средой, а именно, легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.
Эффект взаимодействия со средой называется сольватацией. Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора - молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na+ и Cl-. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na+Cl). Превращение молекулы в пару ионов называется диссоциацией. Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости. Оценка по выражению (1.9) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В, растворенной в жидкости с e = 2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (коэффициент рекомбинации Kr ~ 10-15 м3/cек) дает, что практически вся примесь оказывается диссоциированной на ионы.
Что касается подвижности, то она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы "вморожены" в жидкость и переносятся "микроструйками" жидкости. Наши эксперименты по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся при временах воздействия менее 1 мкс. Отсюда был сделан вывод, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды. Доказательством образования струек являлось зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с одинаковыми скоростями.
Подвижность, связанная с движением жидкости, называется электрогидродинамической подвижностью. Она составляет mэгд ~ (10-7 - 10-8) м2/(В·c), т.е. на три - четыре порядка меньше подвижности ионов в газах. Оценка для вышеприведенного примера с диссоциированной примесью дает s ~10-9 Cм/м.
Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации.
С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например электродиализ, благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков, типа янтарь, т.е. до проводимости менее s ~ 10-19 Ом·м.
Еще необходимо отдельно рассмотреть электропроводность электролитов. В энергетике они применяются, в основном, в аккумуляторах. Кроме того, естественные электролиты обеспечивают электропроводность в системах заземления энергетических объектов. Дело в том, что земля имеет преимущественно электролитический характер электропроводности.
При этом, наиболее важным видом электролитов являются водные электролиты. Вода является самым распространенным жидким веществом, кроме того, она является самым сильным растворителем и самой сильной ионизирующей средой.
В электролитах заряды появляются в жидкости за счет электролитической диссоциации молекул на ионы. Условно все вещества, растворенные в жидкости и частично диссоциирующие на ионы делят на два типа: сильные электролиты и слабые. Сильные электролиты - вещества полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl, сильные кислоты типа HCl. Выше, при рассмотрении проводимости диэлектрических жидкостей они назывались ионофорами. Слабые электролиты - малодиссоциирующие вещества, т.е. они растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциирует на ионы. Пример - спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота). Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ. Подвижность ионов - невелика, обычно она составляет порядка 10-8 м2/(В·с).
30 Влажностные свойства диэлектриков
Обладают особенностью впитывать в себя влагу из окружающей среды и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать через себя поры воды. Абсолютная влажность воздуха оценивают массой т водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (в одном м3). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении тнас. Большого количества воды воздух содержать не может и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко увеличивается с увеличением температуры, т.е. растет давление водяных паров. .
Нормальная влажность – 65 %. Приборы работают при условиях влажного климата.
Для предохранения поверхности электроизоляции деталей, выполненных из полярника твердых диэлектриков, от действия влажности их покрываются лаками, не смачивающихся водой.
Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания q капли воды, нанесенную на плоскую поверхность тела. Чем меньше q , тем сильнее смачивание, для смачиваемых поверхностей q <900, для не смачиваемых q >900.
.
Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания q капли воды, нанесенную на плоскую поверхность тела. Чем меньше q , тем сильнее смачивание, для смачиваемых поверхностей q <900, для не смачиваемых q >900.