Тепловой пробой возникает когда

Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Типичными признаками теплового пробоя является уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле.

При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения, температуры окружающей среды, площади диэлектрика и от его свойств: теплопроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. С увеличением частоты приложенного напряжения и температуры пробивное напряжение уменьшается.

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах.

Электрохимический пробой

Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение).

Электрохимический пробой наступает при напряжённости, используемой при кратковременном испытании электрической прочности изоляции или при коммутационных перенапряжениях. Механизмы электрохимического пробоя свойственны как органическим, так и неорганическим диэлектрикам.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале в малых количествах химически активных веществ или полупроводниковых соединений. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды, особенно интенсивные при переменном напряжении. Старение неорганических диэлектриков происходит интенсивнее при постоянном напряжении. Признаком старения является уменьшение сопротивления изоляции.

Ход работы

Исследование влияния неоднородности электрического поля и толщины на пробивное однородных диэлектриков:

h,мм	Uпр1, кВ	Uпр2, кВ	Uпр3, кВ	Uпр4, кВ	Uпр5, кВ	Uпр ср, кВ	Епр, кВ/мм
0,1	31	32	31	34	33	32,2	322
0,2	62	65	63	62	64	63,2	316
0,3	89	90	92	91	93	91	303,3
0,4	122	124	123	126	125	124	310
0,5	144	146	145	147	149	146,2	294,2

Таблица 2. Значения пробивных напряжений в неоднородном поле

h,мм	Uпр1, кВ	Uпр2, кВ	Uпр3, кВ	Uпр4, кВ	Uпр5, кВ	Uпр ср, кВ	Епр, кВ/мм
0,1	7	8	10	11	9	9	90
0,2	13	15	14	13	12	13,4	67
0,3	16	18	20	19	17	18	60
0,4	21	22	24	25	23	23	57,5
0,5	27	26	29	28	26	27,2	54,4

Вычисление для таблицы 1: E_пр=U_ср._пр/h . U_ср._пр1 = (31+32+31+34+33)/5=32,2 U_ср._пр4 = (122+124+123+126 +125)/5=124 U_ср._пр2 = (62+65+63+62+64)/5=63,2 U_ср._пр5 = (144+146+145+147+149)/5=146,2 U_ср._пр3 = (89+90+92+9+93)/5=91 E_пр1= 32,2/0,1= 322 (кВ/мм) E_пр4= 124/0,4= 310 (кВ/мм) E_пр2= 63,2/0,2= 316 (кВ/мм) E_пр5= 146,2/0,5= 294,2 (кВ/мм) E_пр3= 91/0,3= 303,3 (кВ/мм)

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть весьма различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем: нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т. д. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический, ионизационный.

Электрический пробой — это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность Е_пр твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах — 100  1000 МВ/м, что близко к Е_пр сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Величина Е_пр обусловлена главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин).

Этот вид пробоя характерен для макроскопически однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Этот вид пробоя протекает за время не более 10 -7  10 -8 с, не обусловлен тепловой энергией, хотя величина электрической прочности при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Согласно современным представлениям эти электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, за счет возбуждения упругих колебаний кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов, и стационарное состояние нарушается, т. е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние проводимости и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряжения при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества как такового. Такие условия удается наблюдать для монокристаллов щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. В этом случае Е_пр достирает более 10 5 МВ/см. При этом виде пробоя величина электрической прочности в однородном электрическом поле от толщины не зависит (рис.11.71) и незначительно снижается при повышении температуры (рис.11.72).

Электротепловой (тепловой) – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Величина пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала с точки зрения электрической прочности. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, электротепловое пробивное напряжение зависит от теплостойкости материала; органические диэлектрики (например полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, хотя бы только вследствие их малой теплостойкости. Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика емкостью С, при подаче на него напряжения U (действующее значение) с угловой частотой 

P_п = U 2  C tg . (11.123)

Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур образца Т и окружаюшей среды Т₀:

P_p = k S (T – T₀) (11.124)

где k — коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощностей, поглощаемой и рассеиваемой:P_п = P_p. Так как tg( обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической температуры T_кр, значение P_п > P_p (рис. 11.73; другая точка равенства P_п и P_p соответствует устойчивому равновесию). В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к его разрушению (плавлению, сгоранию).

Согласно условию теплового равновесия

(11.125)

где tg  соответствует критической температуре Т_кр_.

Более строгое рассмотрение требует учета градиента температуры по объему образца диэлектрика и соответствующего градиента tg  по мере удаления от электродов. По расчетам В. А. Фока и Н. Н. Семенова, пробивное напряжение (действующее значение) плоского слоя однородного диэлектрика

[кВ], (11.126)

где  — коэффициент теплопроводности диэлектрика; _н и _н — диэлектрическая проницаемость и угол потерь при начальной (до приложения напряжения) температуре диэлектрика: ”_н = _н tg(); (k, _э, h) — коэффициент, зависящий от толщины слоя h, коэффициента теплоотдачи k от электродов в окружающую среду,  и коэффициента теплопроводности электродов. Значение обычно порядка нескольких десятых, а при h   равно 0,662, что соответствует максимальному U_пр.

Из (11.126) видно, что U_пр при тепловом пробое для образца бесконечной толщины не бесконечно велико, как при электрическом пробое, а достигает конечного значения

[кВ]. (11.127)

Следовательно, из данного материала при заданной рабочей частоте изоляция может быть изготовлена в расчете на пробивное напряжение не выше указанного конечного значения. Это напряжение зависит от коэффициента теплопроводности материала, коэффициента диэлектрических потерь и его температурного коэффициентаТK”.

В отличие от электрического пробоя напряжение теплового пробоя, как видно из (11.125) и (11.126), зависит от частоты:

, (11.128)

где А — постоянная (частотной зависимостью диэлектрических параметров пренебрегаем).

Следовательно, U_пр снижается на высоких частотах. Аналогично U_пр при тепловом пробое зависит от температуры, снижаясь с ее повышением за счет роста tg(). По указанным причинам с повышением частоты f или температуры T может изменяться механизм пробоя диэлектрика: при низких f или T, когда напряжение теплового пробоя U_пр._т велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или T, когда U_пр._т (снижается до значений, меньших напряжения электрического пробоя U_пр._э пробой становится тепловым (рис. 11.74).

Критическая частота f_кр или температура Т_кр, при которых происходит переход от электрического к тепловому пробою, зависят от свойств диэлектрика, условий теплоотвода изоляции, времени приложения напряжения, скважности импульсов.

При электротепловом пробое электрическая прочность диэлектрика с увеличением толщины снижается (рис.11.75). Это обусловлено ухудшением теплоотвода из “глубинных” слоёв диэлектрика за счёт низкой теплопроводности.

С увеличением температуры величина электрической прочности твёрдых диэлектриков при электротепловом пробое будет снижаться за счёт ухудшения условий теплоотдачи в окружающую сведу (рис.11.76).

Электрохимический пробой обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т. п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей мере при переменном напряжении. Его характеристикой является время жизни электрической изоляции (промежуток времени от момента подачи напряжения до пробоя) или кривая жизни.

Ионизационный пробой — это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях поля в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Е_пр.

Как указывалось, в твердых диэлектриках наряду с объемным возможен и поверхностный пробой, т. е. пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции.

Так как Е_пр жидкостей и особенно газов ниже Е_пр твердых диэлектриков, а нормальная составляющая напряженности электрического поля непрерывна на границе раздела, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой в первую очередь будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. Чтобы не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют не металлизированные закраины диэлектрика. Поверхностное U_пр также повышают путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.