velikol.ru
1


ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ:


ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ: Проводимость и механизмы пробоя



Типы проводимости жидких диэлектриков:

  • 1) и о н н а я — вызывается перемещением ионов которые образовались как в результате диссоциации основных молекул или примесей, так и вследствие ионизационных процессов в жидкости;



Типы проводимости жидких диэлектриков:

  • 2)катафоретическая — вызывается перемещением коллоидных заряженных частиц в жидкости;

  • 3) электронная - вызывается перемещением электронов, возникающих в жидкости вследствие ионизационных процессов.



^ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

  • Ионизационные процессы в конденсированных диэлектрических средах могут завершиться пробоем.

  • ПРОБОЙ – фазовый переход в локальных областях конденсированной среды с образованием плазменного канала.



Свойства жидких диэлектриков:

  • Высокая электрическая прочность

  • Высокая теплоемкость и большая текучесть – все силовые трансформаторы – маслонаполненные

  • Возможность комбинации с твердыми диэлектриками



Свойства жидких диэлектриков:

  • Способность восстанавливать изоляционные свойства после пробоя

  • В жидких диэлектриках практически отсутствует эффект накопления дефектов

  • Высокая диэлектрическая проницаемость



^ ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • При повышении напряжения на электродах, между которыми находится конденсированный диэлектрик, зависимость плотности тока от напряженности поля имеет три характерных участка:





^ ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • Участок АВ соответствует закону Ома – рост носителей заряда прямо пропорционален приложенному напряжению.

  • Участок ВС – участок насыщения – скорость роста носителей заряда равна скорости рекомбинации.



^ ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • Участок СD – резкий скачок концентрации носителей заряда.

  • Этот участок носит название «область сильных полей».

  • Именно на этом участке происходит экспоненциальный рост тока приводящий к полной потере электрической прочности диэлектрика.



Основные процессы ведущие к возникновению носителей заряда в области сильных полей:

  • - Диссоциация основных молекул жидкости (ионы диссоциации)

  • - Эмиссия электронов с катода, дырок с анода

  • - Ударная ионизация



Существует два подхода к механизму пробоя жидкости:

  • Первый подход представляет собой группу так называемых

  • Пузырьковых или электротепловых теорий пробоя, согласно которым, при воздействии сильных электрических полей жидкость превращается сначала в газ, а затем в плазму.



Механизм пробоя жидких диэлектриков

  • В газовых пузырьках развивается ударная ионизация, образуются стримерные каналы, которые развивается к противоположному электроду. В длинных (сантиметровых) промежутках пробой, как и в газах, имеет лидерный характер.



^ Два подхода к механизму пробоя жидкости:

  • Принципиально иной подход - Ионизационные модели пробоя жидкости - ионизационные процессы развиваются в самой жидкости с образованием плазменного канала.

  • Преобладает ударная ионизация электронов с катода.



Носителями заряда в жидкости являются:

  • Свободные электроны

  • «Прыгающие» электроны

  • Ионы (положительные и отрицательные)

  • Тяжелые молекулярные комплексы

  • Макрочастицы



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков:

  • Влага

  • Наличие микропримесей

  • Давление

  • Температура

  • Время воздействия напряжения

  • Материал, геометрия электродов, расстояние между ними

  • Полярность напряжения



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Влияние влаги и микропримесей.

  • Наличие влаги в обоих состояниях сказывается на электрической прочности масла, особенно в присутствии волокон. Причем наиболее сильно влияет эмульгированная вода. Вследствие большой диэлектрической проницаемости (для воды  = 80, для волокон целлюлозы  = 6,4)



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • частички влаги и волокна втягиваются в область наибольшей напряженности электрического поля, поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий поля.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Это приводит к образованию «мостиков», которые увеличивают локальную плотность тока, нагреву, сильному увеличению локальной напряженности поля в местах разрывов мостиков, ионизации и пробою всего межэлектродного промежутка.



Механизм пробоя жидких диэлектриков

  • Пробой наступает вследствие образования цепочек из мелких поляризованных частиц включений, которые вытягиваются вдоль силовых линий. Эти цепочки образуют более проводящие каналы, по которым протекает ток.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Влияние давления.

  • Пробивное напряжение как технических, так и очищенных жидких диэлектриков при промышленной частоте 50 Гц зависит от давления.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Это связано с наличием и образованием в жидкости при высоком напряжении пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя.

  • Электрическая прочность газа сильно увеличивается ростом давления на правой ветви кривой Пашена.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • При пониженных давлениях из масла начинают выделяться растворенные в нем газы, и его прочность резко падает.

  • При давлении выше атмосферного электрическая прочность масла увеличивается.

  • При импульсных воздействиях давление практически не сказывается на электрической прочности жидких диэлектриков.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Влияние материала, геометрии электродов, расстояния между ними и полярности напряжения.

  • Увеличение коэффициента неоднородности поля, так же, как и в газах, снижает пробивное напряжение.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Даже незначительное увеличение радиуса кривизны электродов в резконеоднородных полях дает более существенное увеличение Uпр по сравнению с воздухом.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Увеличение расстояния между электродами S приводит к увеличению пробивного напряжения.

  • На величину пробивного напряжения при неизменном S оказывает влияние площадь электродов и объем жидкости между электродами: увеличение площади электродов и объема жидкости вызывает снижение Uпр.



Факторы влияющие на пробой жидких диэлектриков

  • Состояние поверхности электродов оказывает влияние на электрическую прочность Епр жидких диэлектриков.

  • Загрязнение, окисление и плохая полировка поверхности электродов снижают Епр.



Механизм пробоя жидких диэлектриков

  • При длительном воздействии напряжения присутствие влаги, газа, загрязнений в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность, причем наиболее опасным является эмульгированное стояние влаги.



ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ: Механизмы пробоя



^ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • В зависимости от электрофизических характеристик, вида напряжения и условий работы можно установить три основных вида пробоя твердых диэлектриков:

  • Электрический пробой

  • Тепловой пробой

  • Электрическое старение



Пробой твердых диэлектриков

  • Электрический пробой возникает в результате развития ионизационных процессов и практически не зависит от температуры.



Электрический пробой

  • Признаки электрического пробоя:

  • независимость Uпр от температуры;

  • слабая зависимость Uпр от времени;

  • значительное влияние локальных неравномерностей электрического поля.



Электрический пробой

  • Процесс пробоя твердых диэлектриках состоит из 2-х стадий развития канала разряда:

  • 1. Стадия формирование разряда: появление свободных заряженных частиц (электроны, ионы), увеличение скорости протекания ионизационных процессов, зарождение канала тока.



Электрический пробой

  • 2. Установившийся стационарный режим разряда:

  • быстрое нарастание тока через диэлектрик, спад напряжения до нуля, образование канала обладающего высокой проводимостью и замыкающего разрядный промежуток.



Электрический пробой

  • Существуют различные теории электрического пробоя. Некоторые были выдвинуты в 18 веке. Среди многообразия подходов к описанию процесса электрического пробоя твердых диэлектриков на данный момент наиболее полной и стройной является теории академика Вершинина Ю.Н.



Электрический пробой

  • Вершининым Ю.Н. в 2000 г. предложена теория механизмов электрического пробоя твердых диэлектриков, которая позволяет целенаправленно выбирать диэлектрики и их свойства, обеспечивающие необходимые технические требования к электрической изоляции высоковольтных устройств и установок.



Теория Вершинина Ю.Н.

  • Распространение каналов разряда неразрывно связано с возникновением и перемещением в объеме твердого диэлектрика так называемых фазовых переходов первого рода. Переход первого рода представляет собой процесс перехода «твердое тело-плотная плазма».



^ Пробой твердых диэлектриков

  • Тепловой пробой, связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при протекании тока проводимости и развития диэлектрических потерь.



Тепловой пробой

  • Для теплового пробоя характерны следующие признаки:

  • пробивное напряжение уменьшается с увеличением длительности приложения напряжения;

  • пробивное напряжение уменьшается с ростом толщины образца;



Тепловой пробой

  • пробой происходит в том месте, где теплоотдача в окружающую среду наименьшая;

  • тепловой пробой наиболее часто происходит при напряженностях поля Епр = 10100 кВ/см.



Тепловой пробой

  • Развитие теплового пробоя в общих чертах может быть представлено в виде следующей последовательности:

  • UдIдTд

  •  и tg IдTд и т.д.,



Тепловой пробой

  • где Uд – напряжение, приложенное к диэлектрику;

  • Iд - ток, текущий через диэлектрик;

  • Tд температура диэлектрика;

  • и tg  - проводимость и угол диэлектрических потерь диэлектрика.



Пробой твердых диэлектриков

  • Пробой при длительном приложении напряжения, связанный с развитием необратимых процессов: химических превращений, образованием субмикро – и микротрещин, развитием частичных разрядов –

  • Процесс электрического старения диэлектрика



  • Причинами старения внутренней изоляции являются:

  • старение вследствие развития частичных разрядов при перенапряжениях и рабочем напряжении;

  • тепловая деструкция материала;



^ СТАРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • увлажнение изоляции и водный триинг (рост древовидных насыщенных водой фигур);

  • электрохимическое старение;

  • механическое старение и повреждения за счет электродинамических усилий, вибраций и т.п.



^ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

  • Как правило, при воздействии электрического поля изоляция подвержена комплексу названных выше воздействий и совместному влиянию температуры и электрических полей. Все указанные факторы усиливают друг друга и комплексный процесс завершается пробоем.



Понятие пробоя

  • Рассмотрев основные виды электрофизических процессов и их влияние на работу изоляционных конструкций, определим смысл важного понятия в технике высоких напряжений – понятие пробоя.



^ Понятие пробоя

  • Под пробоем понимают любой процесс быстрого возникновения сильно ионизованного состояния вещества под действием приложенного электрического поля. Если источник поля действует длительное время, в результате пробоя чаще всего зажигается самостоятельный разряд.



^ Понятие пробоя

  • В технике высоких напряжений пробоем называется образование сквозного канала высокой проводимости, способного пропустить столь сильный ток, что напряжение на изоляционном -промежутке резко падает. Электрическая цепь оказывается в режиме короткого замыкания. Напряжения, приводящие к пробою, называют пробивными напряжениями.



Понятие пробоя

  • Электрическая цепь оказывается в режиме короткого замыкания. Напряжения, приводящие к пробою, называют

  • пробивными напряжениями.



Понятие пробоя

  • Чтобы в разрядной цепи наступило короткое замыкание, сопротивление канала разряда, перекрывшего промежуток, должно стать меньше, чем сопротивление внешней цепи, включая внутреннее сопротивление источника. Это и является количественным критерием пробоя.



^ Понятие пробоя

  • Сопротивление канала пробоя быстро уменьшается с течением времени и, в конце концов, не канал, а элементы внешней электрической цепи ограничивают ток возникшего короткого замыкания.



Понятие пробоя

  • Для этого состояние в канале должно быть неустойчивым, увеличение тока должно снижать напряжение, необходимое для поддержания ионизации в газе. Иначе говоря, ионизованный канал должен обладать

  • падающей вольт-амперной характеристикой.