Перш ніж розглядати механізми пробою діелектриків, постараємося з'ясувати особливості цих матеріалів. Електроізоляційні матеріали - це речовини, які дозволяють ізолювати частини електричного устаткування або елементи ланцюги, що мають різні значення електричних потенціалів.

Особливості матеріалів

У порівнянні із стаціонарними матеріями, ізоляторів показник електричного опору істотно вище. Типовим властивістю цих матеріалів вважають створення потужних електричних полів, а також накопичення енергії. Така властивість широко застосовується в конденсаторах.

Класифікація

За агрегатним станом усі електроізоляційні матеріали поділяють на рідкі, газоподібні, тверді. Наймасштабнішою є остання група діелектриків. До них відносяться пластмаси, керамічні вироби, високополімерні матеріали. У залежності від хімічного складу, електроізоляційні матеріали поділяють на неорганічні і органічні. В якості основного хімічного елемента в органічних ізоляторах виступає вуглець. Максимальні температури витримують неорганічні матеріали: кераміка, слюда. В залежності від способу отримання діелектрики прийнято розділяти на синтетичні і природні (природні). Кожен з видів має певні особливості. В даний час численною групою є синтетичні речовини. Тверді діелектричні матеріали додатково підрозділяють на окремі підкатегорії за структурою, складом, технологічним характеристикам матеріалів. Наприклад, існують воскоподібні, керамічні, мінеральні, плівкові ізолятори.


Для всіх цих матеріалів характерна електрична провідність. З плином часу у подібних речовин спостерігається зміна значення струму через зниження струму абсорбції. З певного моменту в электроизоляционном матеріалі існує тільки струм провідності, від величини якого і залежать властивості даного матеріалу.

Особливості процесу

Якщо напруженість електричного поля має більше значення, ніж межа електричної міцності, виникає пробій діелектрика. Це процес його руйнування. Він призводить до втрати в місці пробою таким матеріалом його первинних електроізоляційних характеристик. Пробивна напруга - це величина, при якій настає пробій діелектрика. Електрична міцність характеризується значенням напруженості поля. Пробій твердих діелектриків є електричним або тепловим процесом. В його основі знаходяться явища, які призводять до лавинного зростання в твердих ізоляційних матеріалах величини електричного струму. Пробій твердих діелектриків має характерні ознаки:

відсутність або слабка залежність від температури і величини напруги провідності;

електрична міцність матеріалу в однорідному полі незалежно від товщини використовуваної діелектричного матеріалу;

вузькі межі механічної міцності;

спочатку струм зростає за експоненціальним законом, а пробої твердих діелектриків супроводжуються стрибкоподібним зростанням струму;

у неоднорідному полі цей процес виникає в місці з максимальною напруженістю поля.

Тепловий пробій

Він з'являється при великих діелектричних втрат, підігріві матеріалу іншими джерелами тепла, при неякісному відвід теплової енергії. Такий пробій діелектрика супроводжується наростанням електричного струму в результаті різкого зниження опору на ділянці, де порушена провідність тепла. Подібний процес спостерігається до того часу, поки не виникне повне термічне руйнування діелектрика в ослабленому місці. Наприклад, станеться розплавлення вихідного твердого електроізоляційного матеріалу.

Ознаки

Пробій діелектрика має характерні ознаки:

виникає в місці неякісного відведення тепла в навколишнє середовище;

пробивна напруга при підвищенні температури зовнішнього середовища зменшується;

електрична міцність обернено пропорційна товщині діелектричного шару.

Загальна характеристика

Охарактеризуємо основні види пробою діелектриків. Суть процесу полягає в втрати електроізоляційним матеріалом своїх характеристик при перевищенні критичного значення напруженості електричного поля. Існує кілька видів цього процесу:

електричний пробій діелектрика;

тепловий процес;

електрохімічне старіння.

Електричний варіант виникає в результаті ударної іонізації негативними електронами, що з'являється в потужному електричному поле. Цей процес супроводжується різким зростанням щільності струму. Причиною теплового процесу в ізоляторі є збільшення кількості виділяється системою тепла із-за впливу електропровідності або в результаті діелектричних втрат. Результатом такого пробою є термічне руйнування електроізоляційного матеріалу. Коли змінюється напруга пробою діелектриків, відбуваються перетворення в структурі електроізоляційного матеріалу, а також змінюється хімічний склад діелектрика. В результаті спостерігається необоротне зниження опору ізоляційного. При цьому відбувається електричне старіння діелектрика.

В газоподібному середовищі

Як відбувається пробій газоподібних діелектриків? В повітряних проміжках з-за космічного і радіоактивного випромінювання існує незначна кількість заряджених частинок. Відбувається розгін негативних електронів в полі, в результаті чого вони набувають додаткову енергію, величина якої прямо залежить від напруженості поля і середньої довжини пробігу частинки до зіткнення. При значній величині напруженості спостерігається наростання потоку електронів, що викликає пробій проміжку. На цей процес впливає кілька факторів. Найважливішим з них є варіант поля. Існує прямий зв'язок електричної міцності газу з тиском і температурою.

Рідка середовище

Пробій рідких діелектриків пов'язаний з величиною чистоти електроізоляційного матеріалу. Виділяють три ступеня:

зміст в діелектрику твердих механічних забруднень і емульсійної води;

технічно чисті;

ретельно очищені і дегазированние.

В очищених ретельно рідких діелектриках існує лише електричний варіант пробою. З-за істотного розходження в густині рідини і газу довжина пробігу електрона знижується, що призводить до підвищення пробивної напруженості. У сучасній електроенергетиці застосовують технічно чисті види рідких діелектриків, допускається лише незначна присутність в них домішок. Необхідно враховувати, що навіть мінімальна кількість емульсійної води, що знаходиться в рідкому электроизоляционном матеріалі, викликає сильне зниження електричної міцності. Таким чином, електрична міцність і пробій діелектриків - це пов'язані між собою величини. Розглянемо механізм пробою в рідкому середовищі. Краплі емульсійної води поляризуються в електричному полі, потім вони потрапляють в простір між полярними електродами. Тут відбувається їх деформація, зливання, при цьому утворюються містки, що мають невелике електричне опір. Саме по них і відбувається пробій. Поява містків викликає істотне зниження міцності масла.

Особливості електроізоляційних матеріалів

Розглянуті види пробою твердих діелектриків знайшли своє застосування в сучасній електротехніці. Серед рідких і напіврідких діелектричних матеріалів, використовуваних в даний час в техніці, інтерес представляють трансформаторне і конденсаторне масла, а також синтетичні рідини: совтола, совол. Мінеральні масла отримують в результаті фракційної перегонки сирої нафти. Між окремими їх видами існують відмінності за в'язкості, електричним характеристикам. Наприклад, кабельне та конденсаторне масла мають високу ступінь очистки, тому володіють прекрасними діелектричними характеристиками. Негорючими синтетичними рідинами є совтола і совол. Для отримання першої проводять реакцію хлорування кристалічного дифенила. Ця прозора в'язка рідина володіє токсичністю, здатна подразнювати слизову оболонку, тому при проведенні робіт з таким діелектриком необхідно ретельно дотримуватися заходів обережності. Совтола - це суміш трихлорбензол і совола, тому для даного електроізоляційного матеріалу характерно більш низьке значення в'язкості. Обидві синтетичні рідини застосовують для просочення сучасних паперових конденсаторів, встановлених у промислових пристроях змінного і постійного струму. Органічні високополімерні діелектричні матеріали складаються з безлічі молекул мономерів. Високими діелектричними характеристиками володіє бурштин, натуральний каучук. У воскоподібні матеріалів, наприклад церезину і парафіну, чітко виражена температура плавлення. Такі діелектрики мають поликристаллическое будова. В сучасній електротехніці затребувані пластмаси, є композиційними матеріалами. У їх складі є полімери, смоли, барвники, стабілізуючі речовини, а також пластифікуючі компоненти. В залежності від відношення до нагрівання, їх поділяють на термопластичні і термореактивні матеріали. Для робіт у повітряному середовищі застосовують электрокартони, у яких більш щільна структура в порівнянні із звичайним матеріалом. Серед шаруватих електроізоляційних матеріалів, що мають діелектричні характеристики, виділимо текстоліт, гетинакс, склотекстоліт. Ці шаруваті пластмаси, в яких в якості сполучного речовини виступають кремнійорганічні або резольние смоли, є прекрасними діелектриками.

Причини явища

Існують різні причини виникнення пробою діелектриків. Тому досі немає універсальної теорії, яка б пояснювала цей фізичний процес. Незалежно від варіанту ізоляції у разі пробою утворюється канал особливої провідності, величина якої призводить до короткого замикання в цьому електротехнічному обладнанні. Які наслідки буде мати подібний процес? Велика ймовірність аварійної ситуації, в результаті чого електротехнічний пристрій буде виведено з експлуатації. Залежно від системи ізоляції, пробій може мати різні прояви. Для твердих діелектриків у каналу зберігається значна провідність навіть після вимикання струму. Для газоподібних і рідких електроізоляційних матеріалів властива висока рухливість заряджених електронів. Тому спостерігається миттєве відновлення каналу пробою, що сталося з-за зміни напруги. У рідинах пробій викликається різними процесами. Спочатку формуються оптичні неоднорідності в просторі між електродами, в цих місцях рідина втрачає свою прозорість. Теорія А. Геманта пробій рідкого діелектрика розглядає в якості емульсії. За розрахунками, проведеними вченим, із-за дії електричного поля краплі вологи набувають форму витягнутого диполя. У разі високої напруженості поля відбувається їх об'єднання, що сприяє розряду в утворився каналі. При проведенні численних експериментів вдалося встановити, що якщо в рідині є газ, то при різкому збільшенні напруги до пробою будуть з'являтися бульбашки. При цьому знижується величина пробивної напруги таких рідин із зменшенням тиску або при підвищенні температури.

Висновок

Сучасні діелектричні матеріали удосконалюються в міру розвитку електротехнічної промисловості. В даний час технологія створення різних видів діелектриків настільки модернізувалася, що можна створювати недорогі діелектрики з високими експлуатаційними характеристиками. Серед найбільш затребуваних матеріалів, що володіють відповідними характеристиками, особливий інтерес представляють скла і стеклоэмали. Настановні, лужні, лампові, конденсаторні, інші види цього матеріалу являють собою речовини аморфної будови. При додаванні в суміш оксидів кальцію, алюмінію можна поліпшити діелектричні показники матеріалу, знизити ймовірність пробою. Стеклоэмали є матеріалами, у яких на поверхню металу нанесений тонкий шар скла. Подібна технологія забезпечує надійний його захист від корозії. Всі матеріали, що володіють електроізоляційними характеристиками, знайшли широке застосування в сучасній техніці. Якщо своєчасно попередити пробій діелектрика, цілком можна запобігти псування дорогого обладнання.