Методические указания к выполнению лабораторной работы №1



«Определение электрической прочности твердых диэлектриков»

Цель работы

Целью работы является:

2.1.1 ознакомление с порядком испытаний твердых диэлектриков в электрическую прочность;

2.1.2 определение зависимости электрической прочности от толщины диэлектрика;

2.1.3 получение навыков работы с высоковольтной установкой.

Краткие теоретические положения

2.2.1 Диэлектрик, даже самый лучший, не является идеальным изолятором, т.к. имеет конечную величину удельного сопротивления r=1010…1022 Ом×м, и, следовательно, электропроводность

Электропроводность твердых диэлектриков обуславливается как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. У некоторых диэлектриков наблюдается электронный характер проводимости.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. В твердых диэлектриках с электронной проводимостью при низких температурах передвигаются в первую очередь слабо закрепленные ионы, ионы примесей; при высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки. Энергия активизации носителей тока определяет механизм электропроводности в твердых диэлектриках. Удельную проводимость в твердых диэлектриках можно определить, пользуясь уравнением

                                               ,

где n – количество ионов;

q – заряд иона;

u – подвижность иона.

В твердых диэлектриках подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов.

Проводимость твердых тел и зависимость ее от температуры определяется составом и структурой вещества.

 

2.2.2 Сохранение пропорциональности между током и напряжением в твердых диэлектриках наблюдается до напряженностей 106…107 В/м. При напряженностях, превышающих этот предел, зависимость электронной проводимости от силы поля может быть выражена формулой Пуля, которая указывает на экспоненциальную, а не на линейную зависимость g от

 

 

напряженности поля

,

где g0 – удельная проводимость в области независимости от напряженности;

Е – напряженность поля;

b - коэффициент, характеризующий материал.

 

2.2.3 При повышении напряженности электрического поля в твердом диэлектрике возникает ионизационные процессы, связанные с увеличением сквозного тока, высоковольтной поляризацией, ударной ионизацией, диэлектрическими потерями, нагревом диэлектрика.

В сильных полях нарушается закон Ома: плотность тока растет по экспоненциальному закону в функции напряженности поля; напряжение начинает падать, а ток резко возрастает, стремясь к бесконечности – наступает пробой диэлектрика. В случае большой мощности ток расплавляет материал диэлектрика, прожигает в нем канал по месту прохождения. Схема пробоя показана на рисунке 1.

 

1 - электрод

2 - образец

 

Рисунок 1

 Схематическое изображение пробоя:

а – направление пробоя;

б – направление поверхностного перекрытия

 

При повторном наложении напряжения уже к пробитому образцу пробой наступает при значительном меньшем напряжении, т.к. изоляция потеряла свою электрическую прочность и вышла из строя.

 

2.2.4 Процесс пробоя твердого диэлектрика можно подразделить на два этапа:

а) нарушение нормального процесса электропроводности резким возрастанием тока вследствие ударной ионизации, или ростом диэлектрических потерь и увеличением нагрева диэлектрика;

б) тепловое и механическое разрушение диэлектрика, образование сквозного проводящего канала.

Различают две основные формы пробоя твердых диэлектриков:

- тепловой пробой;

- электрический пробой.

 

2.2.4.1 Характерные признаки теплового пробоя:

- пробивная напряженность поля уменьшается с увеличением температуры окружающей среды, с увеличением длительности воздействия напряжения, с ростом частоты переменного напряжения (обратно пропорционально f), с увеличением толщины образца и ухудшением теплоотвода;

- пробой происходит в том месте, где наименьшая теплоотдача.

По наиболее обоснованной теории теплового пробоя, разработанной и сопоставленной с экспериментальными данными русскими учеными: Фоком Б.А., Вальтером А.Ф. и Семеновым Н.Н., основным условием развития теплового пробоя является наличие экспоненциальной зависимости роста тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, т.е. условие должно отвечать формуле:

где a - температурный коэффициент;

Т – температура диэлектрика;

Т0 – температура окружающей среды;

tgd0 - тангенс угла диэлектрических потерь, соответствует температуре окружающей среды;

tgd - соответствует температуре диэлектрических потерь.

То есть процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, причем сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это уменьшение сопротивление вызывает увеличение тока, что в свою очередь обуславливает повышение его температуры. Электрический ток может достигать такой величины, при которой диэлектрик термически разрушается (проплавляется). Величина электрической прочности Епр уменьшается с нагревом диэлектрика (рисунок 2). Это объясняется тем, что, подогревая диэлектрик, мы облегчаем его тепловое разрушение.

Рисунок 2

 Зависимость электрической прочности от температуры

диэлектрика при тепловом пробое

 

 

Допустимое рабочее напряжение можно определить по формуле:

,

где s - коэффициент теплоотдачи, Вт/см2 град.;

S – поверхность диэлектрика, см2;

tp – температура диэлектрика, 0С;

t0 – температура окружающей среды, 0С;

w - угловая частота;

С – емкость, Ф.

Если температура достигнет критического значения, то наступит пробой диэлектрика.

.

Здесь tgdкр – соответствует критической температуре.

 

2.2.4.2 Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов в какой либо части его объема. Количество свободных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает и процесс нарастания потока электронов может закончиться пробоем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электрическим пробоем. Как при тепловом, так и при электрическом пробое в диэлектрике образуется сквозной канал в месте пробоя. Этот канал обладает повышенной проводимостью.

Характерные признаки электрического пробоя:

- перед пробоем нарушается закон Ома (ток растет с напряжением по экспоненциальной кривой). При определенной величине напряженности электрического поля ток скачкообразно увеличивается, вслед за этим происходит разрушение диэлектрика;

- пробивная напряженность электрического пробоя твердых диэлек-

триков находится в узких пределах (108…109 В/м);

- пробивная напряженность не зависит от толщины образца вплоть

до 10-6…10-7м;

- при импульсах длительностью меньше 10-7с, а в неоднородном поле меньше 10-6с, наблюдается возрастание пробивной напряженности;

- пробивная напряженность значительно меньше зависит от температуры, чем при тепловом пробое;

- в неоднородном поле электрический пробой обычно происходит в месте наибольшей напряженности поля, например, у края электрода.

В основе электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электрические процессы ударной ионизации, которые и объясняют пробой импульсами напряжения длительностью 10-7…10-8с. В этом процессе исключается влияние диэлектрических потерь и нагрева материала под действием напряжения.

Пробой наступает мгновенно, не зависит от времени действия напряжения и связан с разрушением молекулярной и кристаллической структуры материала. Решающим фактором при электрическом пробое является напряженность электрического поля. Электрическая прочность Епр диэлектрика в случае электрического пробоя не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика электрический пробой может перейти в тепловой (рисунок 3).

Рисунок 3


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 119;