Электрическая прочность твердой, жидкой и комбинированной изоляции

Как известно, любое вещество может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В твердом диэлектрике, как и вообще в твердом веществе, атомы и молекулы сильно сближены и плотно упакованы, что обеспечивает сохранность формы образца. Тепловое движение атомов проявляется в их колебаниях около положения равновесия. Твердые вещества, в частности диэлектрики, подразделяются на кристаллические и аморфные. Первые отличаются упорядоченным расположением атомов, образующих кристаллическую решетку. В аморфных телах атомы расположены хаотично. В жидких диэлектриках связи между молекулами допускают их взаимное перемещение при сохранении среднего расстояния между молекулами.

Границы между рассматриваемыми состояниями вещества задаются критическими температурами плавления и газообразования, которые в свою очередь зависят от давления. Аморфные вещества не имеют резко выраженной температуры плавления. По мере повышения температуры аморфное твердое тело постепенно размягчается; обратный переход происходит также постепенно путем загустения жидкости.

Жидкость при нормальной температуре можно формально представлять как газ, сжатый при давлении около 2 000 ат. Это, между прочим, дает наглядное объяснение явлению «несжимаемости» жидкости: давления в десятки и даже сотни атмосфер малы по сравнению с силами сцепления молекул в жидкости. Аморфное твердое тело с его неупорядоченной атомной структурой можно формально представлять как переохлажденную жидкость. Существуют вещества типа смол и компаундов, которые занимают промежуточное положение между жидкостью и твердым телом: они сохраняют свою форму в течение некоторого промежутка времени, но растекаются в течение длительного времени под действием собственного веса. В технике высоких напряжений широко распространены также изоляционные твердые (волокнистые) материалы, пропитанные изолирующей жидкостью (маслом) или газом. Все эти примеры показывают, что подразделение диэлектриков на твердые, жидкие и газообразные весьма условно и может служить только для установления некоторых предельных физических и технологических характеристик изоляционных веществ. В дальнейшем будет показано, что закономерности электрического пробоя в реальных технических диэлектриках большей частью также проявляются в смешанной форме, т. е. в форме, присущей всем трем агрегатным состояниям вещества.

Физико-химические и технологические свойства диэлектриков подробно изучались в курсе «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Важнейшими характеристиками диэлектриков являются:

1) электрическая прочность при одноминутном испытании E_ПР,кв/см;

2) относительная диэлектрическая проницаемость ε;

3) тангенс угла диэлектрических потерь tgδ;

4) удельное сопротивление ρ МОм∙смили удельная проводимость γ (1/МОм∙см);

5) класс нагревостойкости, характеризующий максимальную длительную температуру, допустимую для изоляции в эксплуатации.

Таблица 4.1 Классы нагревостойкости изоляции

Электрическая прочность диэлектриков определяется в равномерном поле между электродами специальной формы при определенном нормированном расстоянии между ними. Если толщина диэлектрика, т. е. расстояние между электродами, равна d, сми пробивное напряжение диэлектрика U_пр, кв, то электрическая прочность Е_пр= U_пр/d,кВ/см.

Электрический пробой твердых диэлектриков электрическая прочность E_пр есть характеристика, используемая в основном для сравнительной оценки диэлектриков. В изоляционных конструкциях, в которых изоляционные промежутки имеют самые разнообразные формы и геометрические размеры, пробой может наступать при разрядных напряженностях поля (или разрядных градиентах) Е_р, существенно отличных от электрической прочности E_пр.