Электрическая прочность жидких, твердых и газообразных диэлектриков
Электрическая прочность — это характеристика диэлектрика, представляющая собой минимальную напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой.
Электрический пробой — это возрастание электрического тока в диэлектрике, которое возникает при приложении напряжения выше, чем критическое.
Электрическая прочность газообразных веществ определяется:
- Давлением в исследуемом газе.
- Расстоянием между электродами.
- Сродством молекул газа к электрону.
Связь электрической прочности с давлением объясняется следующим образом. С увеличением давления в газе, расстояние между его молекулами уменьшается. Для разгона электрону на длине разбега необходимо приобрести такую же энергию, как и для ионизации газа. Эта энергия определяется скоростью электрона в момент соударения, а скорость развивается благодаря ускорению силой, которая действует на электрон со стороны электрического поля, то есть благодаря напряженности.
Зависимость пробивного напряжения и расстояния между электронами показывается при помощи кривой Пашена, пример которой (для воздуха), изображен на рисунке ниже.
Рисунок 1. Кривая Пашена. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сродство электронов представляет собой способность некоторых молекул и атомов газообразного вещества присоединять к себе дополнительные электроны и тем самым становиться отрицательными ионами. В газах, обладающих атомами с высоким сродством, электронам необходима большая энергия разгона.
Электрическая прочность жидких диэлектриков напрямую не связана с их химическим строением. На электрический пробой таких диэлектриков влияние оказывает тот факт, что между их электронами, по сравнению с газовыми, очень маленькое расстояние. В реальности электрическая прочность жидкостей зависит от количества газа в них, а также от состояния поверхности электродов, к которой прилагается напряжение. Еще одним фактором, определяющим электрическую прочность жидких диэлектриков является количество примесей в них.
Электрическая прочность твердых диэлектриков связана с временем, в течении которого прикладывается пробивное напряжение. В зависимости от данного времени и ряда физических процессов, происходящих за этот промежуток времени, различают:
- Тепловой пробой, который возникает в промежуток от нескольких секунд до нескольких часов.
- Электрический пробой, который возникает через доли секунды.
- Пробой из-за частичных разрядов, который может возникнуть более, чем через год.
Электрическая прочность твердых диэлектриков, в большинстве случаев, больше, чем у газов и жидкостей.
Исследование электрической прочности в диэлектриках
Электрическая прочность диэлектрика может быть выражена следующим образом:
$Епр = Uпр/d$
где: Uпр — пробивное напряжение; d – толщина исследуемого диэлектрика.
Для исследования пробоя диэлектрика используются электроды различной формы, между которыми помещается сам диэлектрик. Испытания могут проводиться в неоднородном и/или однородном электрическом поле. В жидких и газообразных диэлектриках однородность электрического поля обеспечивается за счет придания поверхностям электродов определенной формы, например, сферической с определенным радиусом, который значительно больше, чем расстояние между самыми близкими точками. Еще могут использоваться электроды Роговского, у которых форма соответствует эквипотенциальным поверхностям, что обеспечивает однородность электрополя в средней части между электродами.
Почти однородное электрическое поле в твердых диэлектриках может быть получено благодаря механической обработке, предполагающей высверливание или выдавливание в них лунок с сферической поверхностью. Чтобы точно установить механизм и закономерности пробоя диэлектрика данный процесс осуществляется в однородном и неоднородном полях. Для получения неоднородного поля применяются электроды типа острие-плоскость или острие-острие. Значение пробивного напряжение в неоднородном электрическом поле заметно ниже, чем в однородном. Причина такого явления — увеличение средней напряженности поля вблизи электрода с маленьким радиусом кривизны:
Е$пр = Uпр/h$
Важным практическим значением является задача исследования электрической прочности композиционных, неоднородных и слоистых диэлектриков. К данным диэлектрикам относится конденсаторная бумага, которая пропитана изоляционным маслом. Электрическая прочность нескольких слоев такой бумаги зависит от точечных повреждений отдельных слоев (микронеоднородность), их площади, формы используемых электродов, толщины одного листа, плотности бумаги, а также от толщины прослойки масла между листами, их диэлектрических свойств и наличия включений газа.
В системе контроля качества изоляции получил широкое распространение метод определения электрической плотности и среднего пробивного напряжения, основанный на определении разности между максимальными и минимальными измеренными величинами. Для этого определяются такие параметры как дисперсия, доверительный интервал, среднеквадратичное отклонение, коэффициент вариации и т. п.
