Теоретические положения

Твердые диэлектрики являются неотъемлемой частью изоляционных конструкций, поэтому вопрос о предельных напряженностях электрического поля в диэлектриках является определяющим надежность работы изоляции при воздействии на нее высокого напряжения.

Величина напряженности электрического поля, при которой диэлектрик теряет свои изоляционные свойства и пробивается, носят название электрической прочности диэлектрика. Электрическая прочность связана с величиной пробивного напряжения U_п и толщиной диэлектрика d соотношением

,

справедливым для однородного электрического поля.

Характерной особенностью твердых диэлектриков (в отличие от жидких или газообразных) является то, что после пробоя они не восстанавливают своих изоляционных свойств.

Электрическая прочность диэлектриков определяется их структурой. Неоднородные материалы имеют, как правило, пониженную электрическую прочность. Пропитка целлюлозных материалов жидким диэлектриком значительно повышает их электрическую прочность. Например, непропитанная кабельная бумага имеет электрическую прочность (3...5) 10⁶ В/м, а пропитанная трансформаторным маслом –(4...8)10⁷В/м.

Для обеспечения надежной работы твердых диэлектриков приложенное к ним рабочее напряжение U_р должно быть ниже пробивного U_п. Отношение U_п/ U_р носит название коэффициента запаса и для каждой конструкции устанавливается в зависимости от физико-химических свойствдиэлектрика и условий работы.

По характеру развития различают два основных вида пробоя: тепловой и электрической.

Тепловой пробой твердых диэлектриков развивается в случае их нагрева за счет диэлектрических потерь и выделения теплоты в токоведущих элементах конструкции. В результате повышения температуры увеличивается тангенс угла диэлектрических потерь и проводимость диэлектрика при постоянном напряжении, что приводит к его дальнейшему нагреву. Если теплоотдача в окружающую среду компенсирует выделение теплоты, то устанавливается тепловое равновесие и дальнейший нагрев прекращается. В противном случае диэлектрик нагревается до температуры, при которой происходит его расплавление, растрескивание, обугливание. Обычно в зоне наибольшей температуры в диэлектрике прогорает канал, в котором происходит пробой. Увеличение теплопроводности диэлектрика и теплоотдачи с его поверхности приводит к повышению пробивного напряжения.

Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика, а в случае бумажной изоляции – от количества ее слоев. В тонких слоях твердых диэлектриков вследствие их неоднородности наблюдается уменьшение электрической прочности, если размер частиц неоднородности соизмерим с толщиной диэлектрика. При использовании многослойного диэлектрика вероятность совпадения слабых мест уменьшается и прочность изоляции растет. Однако при дальнейшем возрастании числа слоев или толщины диэлектрика наблюдается некоторое снижение электрической прочности, что можно объяснить ухудшением условий теплоотвода от внутренних слоев диэлектрика.

Электрическая прочность зависит также от площади электродов. Увеличение площади электродов приводит к снижению Е_n, что связано с увеличением вероятности попадания слабых мест диэлектрика под электрод. Эта зависимость резко проявляется для бумаг, лакотканей, пленок.

На прочность диэлектрика влияет температура окружающей среды – чем она выше, тем больше тангенс угла диэлектрических потерь, тем ниже прочность диэлектрика.

Если количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике под действием электрического поля, незначительно, то тепловой пробой невозможен. Нарушение электрической прочности в этих случаях связано с электрически характером пробоя. Электрический пробой возникает при кратковременных импульсных воздействиях напряжений, малых диэлектрических потерях и интенсивном охлаждении диэлектрика при низких температурах окружающей среды. Электрический пробой связан с ударной ионизацией электронами и разрушением диэлектрика силами приложенного к нему поля. В однородном поле электрический пробой наступает при напряженностях порядка 10⁸...10⁹ В/м.

В неоднородном электрическом поле пробой наступает, когда вблизи одного или обоих электродов напряженность электрического поля достигает критического значения. Так как у поверхности электродов, имеющих большую кривизну, напряженность электрического поля высока, то критическая напряженность достигается при относительно невысоких напряжениях. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в неоднородном поле значительно ниже, чем в однородном. В условиях неоднородного электрического поля напряженность поля у электродов слабо зависит от расстояния между ними. Поэтому увеличение толщины диэлектрика мало сказывается на повышении пробивного напряжения.

Характер электрического поля в диэлектрике определяется прежде всего формой электродов. Так, для плоских электродов в области краев происходит увеличение напряженности.