Что такое электрическая прочность
Содержание
Электрическая прочность диэлектрика, то есть изоляционного материала — это максимальное значение напряженности электрического поля, которое может выдержать среда, прежде чем возникнет электрическая дуга (короткое замыкание), что определяется как пробой изоляции. Обычно используется термин не электрическая, а диэлектрическая прочность. Это одна из основных характеристик материалов, использующихся для изоляции электротехнических систем.
Формула диэлектрической прочности
На практике электрическая прочность изоляции выражается как отношение между максимальным напряжением, еще не вызывающим пробоя, и расстоянием, разделяющим электроды, между которыми приложено это напряжение. Для расчета используется следующая формула:
Диэлектрическая прочность выражается в единицах В/м (вольт на метр) либо в кратных единицах: кВ/мм или мВ/м.
Когда в материале возникает электрический пробой, его физические свойства могут измениться обратимо или необратимо. Так может быть разрушен элемент электротехнической или радиотехнической установки конденсатор. Максимальное значение электрического напряжения, приложенного к выводам конденсатора, называется напряжением пробоя.
Электрическая прочность изоляционных материалов зависит от многих факторов, которые условно делятся на 2 группы. К одной относят те, что связаны с техникой измерения, а к другой — с технологией изготовления диэлектрика.
В первую группу факторов, от которых зависит электрическая прочность или напряжение пробоя диэлектриков, входят:
- вид испытательного напряжения: постоянное, переменное, импульсное и так далее;
- геометрия электродов. Этот фактор влияет на распределение электрополей в пространстве, их неоднородность, поскольку там, где поле отличается наибольшей интенсивностью, возникают локальные разряды;
- межэлектродное расстояние. В общем случае изменение пробивного напряжения не выражается линейной зависимостью от расстояния между электродами;
- полярность приложенного напряжения;
- атмосферные условия в месте измерения: температура, давление и влажность.
Факторы, связанные с изготовлением диэлектрика:
- наличие воздушных пузырьков или водных капелек в жидких или полимерных изоляторах;
- наличие примесей;
- поглощение воды материалом снижает его электрическую прочность;
- тепловое старение. В процессе эксплуатации изолятор часто подвергается изменению температуры, что способствует тепловому старению, изменяющему его электрическую прочность.
Измерение прочности
Диэлектрическая прочность жидких и твердых изоляторов измеряется путем подачи на них возрастающего напряжения до тех пор, пока не произойдет их электрический пробой. Он обнаруживается визуально или посредством физических измерений: наблюдается уменьшение напряжения на материале, также увеличение протекающего через него тока. Испытания могут проводиться при переменном, постоянном или импульсном напряжении, в зависимости от промышленного назначения материала.
При проведении испытаний материалы делятся на две категории: самовосстанавливающиеся и несамовосстанавливающиеся. Первые полностью восстанавливают свои изоляционные свойства после разрушительного разряда во время испытания, а вторые — нет.
Из-за различных параметров, влияющих на электрическую прочность, пробой зачастую возникает при значениях напряженности электрополя гораздо меньших, чем предсказанных теорией. Вследствие этого для промышленных применений электрическая прочность (так называемая практическая прочность) является намного меньше теоретического значения (внутренней прочности).
Испытания твердых изоляционных материалов
При проведении измерений, в ходе которых выясняют что такое электрическая прочность твердого материала, используют образцы в виде пластин толщиной 3 мм. Их помещают между двумя электродами, к которым прикладывается возрастающее напряжение. Если наблюдается уменьшение напряжения (или увеличение тока), что свидетельствует о пробое изоляции, проводится второе испытание.
Если второе напряжение пробоя значительно ниже первого, то считается, что объект перфорирован, а измеренное значение отражает электрическую прочность материала. Если же подобное не наблюдается, то пробой произошел в воздухе и измеренное напряжение пробоя не соответствует электрической прочности материала.
Для исправления результата возможны два решения:
- увеличение толщины образца;
- проведение измерений в более изолирующей среде, чем воздух. Например, в газообразном элегазе (гексафторид серы, шестифтористая сера SF6) или в масляной ванне.
После проведения правильного измерения операцию следует повторить 5 раз на идентичных образцах и вычислить среднее из 5 полученных значений, которое и следует считать искомым показателем материала.
Испытания жидких изоляторов
В отличие от твердых, жидкие изоляторы самовосстанавливаются, то есть, пробой не разрушает материал полностью, поэтому можно проводить несколько тестов на одном и том же образце. Для измерения в жидкость погружаются 2 электрода. Затем, как и в случае с твердыми изоляторами, напряжение повышается до тех пор, пока не произойдет пробой. Во время испытания необходимо соблюдать меры предосторожности: не допускать попадания в жидкость других частиц, которые могут повлиять на результаты измерений. Также до начала испытаний масло должно отстояться в течение 20 минут для удаления воздушных пузырьков.
Если первое измерение было проведено правильно, то дальнейшие измерения следует проводить на том же образце. С интервалом в 10 минут (что необходимо для того, чтобы изоляционная жидкость перемешивалась, для рассеяния остатков предыдущего пробоя и во избежание образования пузырьков внутри жидкости) выполняется 6 пробоев. Первый пробой не учитывается, за результат принимается среднее значение по 5 последующим пробоям.
Особый случай газообразного изолятора
В случае газообразного изолятора напряжение пробоя зависит от давления газа нелинейно в соответствии с описывающим эту зависимость законом Пашена. При постоянном произведении давления и межэлектродного расстояния электрическая прочность постоянна.
Кривые Пашена получены для гелия, неона, аргона, водорода и динитрогена с использованием уравнения, дающего напряжение пробоя в зависимости от давления газа и расстояния между электродами. Закон устанавливает, что каждый газ отличается своим пробивным напряжением в зависимости от произведения давления и расстояния между электродами.
Влажность окружающей среды — важный фактор, поскольку вода является гораздо лучшим проводником, чем газы в составе атмосферного. В воздухе, насыщенном влагой, разрушающее поле может упасть от значения 3кВ/мм до 1 кВ/мм. Эти значения можно использовать для оценки порядка величины напряжений, при которых в земной атмосфере возникают молнии с пробоем между облаками или облаком и землей.
Газы, отличные от воздуха, используются в высоковольтном оборудовании для уменьшения его размеров. Наиболее часто применяется элегаз с вдвое более высоким при заданном расстоянии пробивным напряжением, чем у воздуха. Таким газом изолируются трансформаторы электрических подстанций.
Загрузка...
