Прежде чем рассматривать механизмы пробоя диэлектриков, постараемся выяснить особенности этих материалов. Электроизоляционные материалы - это вещества, которые позволяют изолировать части электрического оборудования или элементы цепи, что имеют разные значения электрических потенциалов.
Особенности материалов
В сравнении с проводниковыми материями, у изоляторов показатель электрического сопротивления существенно выше. Типичным свойством этих материалов считают создание мощных электрических полей, а также накопление энергии. Такое свойство широко применяется в конденсаторах.
Классификация
По агрегатному состоянию все электроизоляционные материалы подразделяют на жидкие, газообразные, твердые. Самой масштабной является последняя группа диэлектриков. К ним относятся пластмассы, керамические изделия, высокополимерные материалы.
В зависимости от химического состава, электроизоляционные материалы подразделяют на неорганические и органические.
В качестве основного химического элемента в органических изоляторах выступает углерод. Максимальные температуры выдерживают неорганические материалы: керамика, слюда.
В зависимости от способа получения диэлектрики принято разделять на синтетические и природные (естественные). Каждый из видов имеет определенные особенности. В настоящее время многочисленной группой являются синтетические вещества.
Твердые диэлектрические материалы дополнительно подразделяют на отдельные подкатегории по структуре, составу, технологическим характеристикам материалов. Например, существуют воскообразные, керамические, минеральные, пленочные изоляторы.
Для всех этих материалов характерна электрическая проводимость. С течением времени у подобных веществ наблюдается изменение значения тока из-за снижения тока абсорбции. С определенного момента в электроизоляционном материале существует только ток проводимости, от величины которого и зависят свойства данного материала.
Особенности процесса
Если напряженность электрического поля имеет большее значение, чем предел электрической прочности, возникает пробой диэлектрика. Это процесс его разрушения. Он приводит к потере в месте пробоя таким материалом его первоначальных электроизоляционных характеристик.
Пробивное напряжение - это величина, при которой наступает пробой диэлектрика.
Электрическая прочность характеризуется значением напряженности поля.
Пробой твердых диэлектриков является электрическим либо тепловым процессом. В его основе находятся явления, которые приводят к лавинному возрастанию в твердых изоляционных материалах величины электрического тока.
Пробой твердых диэлектриков имеет характерные признаки:
- отсутствие или слабая зависимость от температуры и напряжения величины проводимости;
- электрическая прочность материала в однородном поле независимо от толщины используемого диэлектрического материала;
- узкие пределы механической прочности;
- сначала ток возрастает по экспоненциальному закону, а пробои твердых диэлектриков сопровождаются скачкообразным возрастанием тока;
- в неоднородном поле этот процесс возникает в месте с максимальной напряженностью поля.
Тепловой пробой
Он появляется при больших диэлектрических потерях, подогреве материала иными источниками тепла, при некачественном отводе тепловой энергии. Такой пробой диэлектрика сопровождается нарастанием электрического тока в результате резкого снижения сопротивления на участке, где нарушена проводимость тепла. Подобный процесс наблюдается до того времени, пока не возникнет полное термическое разрушение диэлектрика в ослабленном месте. Например, произойдет расплавление исходного твердого электроизоляционного материала.
Признаки
Пробой диэлектрика имеет характерные признаки:
- возникает в месте некачественного отвода тепла в окружающую среду;
- пробивное напряжение при повышении температуры внешней среды уменьшается;
- электрическая прочность обратно пропорциональна толщине диэлектрического слоя.
Общая характеристика
Охарактеризуем основные виды пробоя диэлектриков. Суть процесса заключается в потере электроизоляционным материалом своих характеристик при превышении критического значения напряженности электрического поля. Существует несколько видов этого процесса:
- электрический пробой диэлектрика;
- тепловой процесс;
- электрохимическое старение.
Электрический вариант возникает в результате ударной ионизации отрицательными электронами, появляющейся в мощном электрическом поле. Этот процесс сопровождается резким возрастанием плотности тока.
Причиной теплового процесса в изоляторе является увеличение количества выделяемого системой тепла из-за воздействия электропроводности или в результате диэлектрических потерь. Результатом такого пробоя является термическое разрушение электроизоляционного материала.
Когда меняется напряжение пробоя диэлектриков, происходят преобразования в структуре электроизоляционного материала, а также меняется химический состав диэлектрика. В результате наблюдается необратимое снижение изоляционного сопротивления. При этом происходит электрическое старение диэлектрика.
В газообразной среде
Как происходит пробой газообразных диэлектриков? В воздушных промежутках из-за космического и радиоактивного излучения существует незначительное количество заряженных частичек. Происходит разгон отрицательных электронов в поле, в результате чего они приобретают дополнительную энергию, величина которой напрямую зависит от напряженности поля и средней длины пробега частицы до соударения. При значительной величине напряженности наблюдается нарастание потока электронов, что вызывает пробой промежутка. На данный процесс оказывает влияние несколько факторов. Самым важным из них является вариант поля. Существует прямая связь электрической прочности газа с давлением и температурой.
Жидкая среда
Пробой жидких диэлектриков связан с величиной чистоты электроизоляционного материала. Выделяют три степени:
- содержание в диэлектрике твердых механических загрязнений и эмульсионной воды;
- технически чистые;
- тщательно очищенные и дегазированные.
В очищенных тщательным образом жидких диэлектриках существует лишь электрический вариант пробоя. Из-за существенного различия в плотностях жидкости и газа длина пробега электрона снижается, что приводит к повышению пробивной напряженности.
В современной электроэнергетике применяют технически чистые виды жидких диэлектриков, допускается лишь незначительное присутствие в них примесей.
Необходимо учитывать, что даже минимальное количество эмульсионной воды, находящейся в жидком электроизоляционном материале, вызывает сильное снижение электрической прочности.
Таким образом, электрическая прочность и пробой диэлектриков - это связанные между собой величины. Рассмотрим механизм пробоя в жидкой среде. Капли эмульсионной воды поляризуются в электрическом поле, затем они попадают в пространство между полярными электродами. Здесь происходит их деформация, сливание, при этом образуются мостики, имеющие небольшое электрическое сопротивление. Именно по ним и происходит пробой. Появление мостиков вызывает существенное снижение прочности масла.
Особенности электроизоляционных материалов
Рассмотренные виды пробоя твердых диэлектриков нашли свое применение в современной электротехнике.
Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторное и конденсаторное масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.
Минеральные масла получают в результате фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим характеристикам.
Например, кабельное и конденсаторное масла имеют высокую степень очистки, поэтому обладают прекрасными диэлектрическими характеристиками. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первой проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила. Эта прозрачная вязкая жидкость обладает токсичностью, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при проведении работ с таким диэлектриком необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности.
Совтол - это смесь трихлорбензола и совола, поэтому для данного электроизоляционного материала характерно более низкое значение вязкости.
Обе синтетические жидкости применяют для пропитки современных бумажных конденсаторов, установленных в промышленных устройствах переменного и постоянного тока.
Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Высокими диэлектрическими характеристиками обладает янтарь, натуральный каучук.
У воскообразных материалов, например церезина и парафина, четко выражена температура плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическое строение.
В современной электротехнике востребованы пластмассы, являющиеся композиционными материалами. В их составе есть полимеры, смолы, красители, стабилизирующие вещества, а также пластифицирующие компоненты. В зависимости от отношения к нагреванию, их подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.
Для работ в воздушной среде применяют электрокартоны, у которых более плотная структура в сравнении с обычным материалом.
Среди слоистых электроизоляционных материалов, имеющих диэлектрические характеристики, выделим текстолит, гетинакс, стеклотекстолит. Эти слоистые пластмассы, в которых в качестве связующего вещества выступают кремнийорганические или резольные смолы, являются прекрасными диэлектриками.
Причины явления
Существуют различные причины возникновения пробоя диэлектриков. Поэтому до сих пор нет универсальной теории, которая бы полностью объясняла этот физический процесс. Независимо от варианта изоляции в случае пробоя образуется канал особой проводимости, величина которой приводит к короткому замыканию в этом электротехническом устройстве. Какие последствия будет иметь подобный процесс? Велика вероятность аварийной ситуации, в результате чего электротехническое устройство будет выведено из эксплуатации.
В зависимости от системы изоляции, пробой может иметь различные проявления. Для твердых диэлектриков у канала сохраняется значительная проводимость даже после выключения тока. Для газообразных и жидких электроизоляционных материалов свойственна высокая подвижность заряженных электронов. Поэтому наблюдается мгновенное восстановление канала пробоя, произошедшее из-за изменения напряжения.
В жидкостях пробой вызывается различными процессами. Сначала формируются оптические неоднородности в пространстве между электродами, в этих местах жидкость теряет свою прозрачность. Теория А. Геманта пробой жидкого диэлектрика рассматривает в качестве эмульсии. По расчетам, проведенным ученым, из-за действия электрического поля капли влаги приобретают форму вытянутого диполя. В случае высокой напряженности поля происходит их объединение, что способствует разряду в образовавшемся канале.
При проведении многочисленных экспериментов удалось установить, что если в жидкости есть газ, то при резком увеличении напряжения до пробоя будут появляться пузырьки. При этом снижается величина пробивного напряжения таких жидкостей с уменьшением давления либо при повышении температуры.
Заключение
Современные диэлектрические материалы совершенствуются по мере развития электротехнической промышленности. В настоящее время технология создания разных видов диэлектриков настолько модернизировалась, что можно создавать недорогие диэлектрики с высокими эксплуатационными характеристиками.
Среди самых востребованных материалов, обладающих соответсвующими характеристиками, особый интерес представляют стекла и стеклоэмали. Установочные, щелочные, ламповые, конденсаторные, иные виды этого материала представляют собой вещества аморфного строения. При добавлении в смесь оксидов кальция, алюминия можно улучшить диэлектрические показатели материала, снизить вероятность пробоя.
Стеклоэмали являются материалами, в которых на поверхность металла нанесен тонкий слой стекла. Подобная технология обеспечивает надежную его защиту от коррозии.
Все материалы, обладающие электроизоляционными характеристиками, нашли широкое применение в современной технике. Если своевременно предупредить пробой диэлектрика, вполне можно предотвратить порчу дорогостоящего оборудования.
