Что такое электрическая прочность изоляции

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

Толщины изоляции;
Диэлектрической проницаемости;
Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
Тип диэлектрика;
Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов


Бумага кабельная сухая	60 – 90
Бумага, пропитанная маслом	100 – 250
Воздух	30
Масло трансформаторное	50 – 180
Миканит	150 – 300
Мрамор	35 – 55
Парафин	150 – 300
Электрокартон сухой	80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом	120 – 170
Слюда мусковитая	1200 – 2000
Слюда флогопит	600 – 1250
Стекло	100 – 400
Фибра	40 – 110
Фарфор	180 – 250
Шифер	15 – 30
Эбонит	80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

электрическая прочность изоляции

3.1 электрическая прочность изоляции: По ГОСТ 6581.

3.48 Электрическая прочность изоляции : Максимальное действующее значение напряжения промышленной частоты или амплитудное значение импульсного напряжения заданной формы, которое может быть приложено к изоляции без возникновения электрического пробоя изоляции.

10.1. Электрическая прочность изоляции , кВ

Смотри также родственные термины:

7.7 Электрическая прочность изоляции при импульсном напряжении

Конструкция УЗО — Д должна обеспечивать электрическую прочность изоляции при импульсном напряжении и выдерживать испытания по 8.13.

3.15 электрическая прочность изоляции термометра сопротивления : Напряжение между выводами и корпусом ТС (или, в случае если термометр имеет несколько чувствительных элементов, также и между цепями ЧЭ), которое ТС может выдержать без повреждения в течение заданного времени.

3.15 электрическая прочность изоляции термопреобразователя сопротивления: Напряжение между выводами и корпусом термопреобразователя сопротивления (или, в случае если термопреобразователь имеет несколько чувствительных элементов, — также и между цепями чувствительного элемента), которое термопреобразователь сопротивления может выдержать без повреждения в течение заданного времени.

52. Электрическая прочность изоляции ФЭПП

E. Insulating strength

F. Rigidité d’isolement

Максимально допустимое напряжение между выводами и корпусом ФЭПП, при котором в течение длительного времени не происходит пробоя изоляции или уменьшения сопротивления изоляции

Электрическая прочность диэлектрика
Электрическая прочность изоляции при импульсном напряжении

Полезное

Смотреть что такое «электрическая прочность изоляции» в других словарях:

электрическая прочность изоляции — Испытательное напряжение, прикладываемое в специальных условиях, которое должна выдерживать изоляция устройства [МЭК 50(151) 78] EN dielectric strength maximum voltage between all parts of the electric circuit and the sheath of the thermometer or … Справочник технического переводчика

электрическая прочность изоляции — пробивное напряжение; отрасл. пробойное напряжение; напряжение пробоя; электрическая прочность изоляции Величина напряжения, приложенного к изоляции и вызвавшего пробой … Политехнический терминологический толковый словарь

Электрическая прочность изоляции — English: Insulator level Испытательное напряжение, прикладываемое в специальных условиях, которое должна выдерживать изоляция устройства (по СТ МЭК 50(151) 78) Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник … Строительный словарь

электрическая прочность изоляции ФЭПП — Максимально допустимое напряжение между выводами и корпусом ФЭПП, при котором в течение длительного времени не происходит пробоя изоляции или уменьшения сопротивления изоляции. Обозначение Uиз Ui [ГОСТ 21934 83] Тематики приемники излуч.… … Справочник технического переводчика

электрическая прочность изоляции между катушкой и контактами реле — Тематики реле электрическое EN dielectric strength coil contact circuit … Справочник технического переводчика

Электрическая прочность изоляции при импульсном напряжении — 7.7 Электрическая прочность изоляции при импульсном напряжении Конструкция УЗО Д должна обеспечивать электрическую прочность изоляции при импульсном напряжении и выдерживать испытания по 8.13. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Электрическая прочность изоляции ФЭПП — 52. Электрическая прочность изоляции ФЭПП D. Isolationsfestigkeit E. Insulating strength F. Rigidité d isolement uиз Максимально допустимое напряжение между выводами и корпусом ФЭПП, при котором в течение длительного времени не происходит пробоя… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

электрическая прочность изоляции термометра сопротивления — 3.15 электрическая прочность изоляции термометра сопротивления : Напряжение между выводами и корпусом ТС (или, в случае если термометр имеет несколько чувствительных элементов, также и между цепями ЧЭ), которое ТС может выдержать без повреждения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

электрическая прочность изоляции термопреобразователя сопротивления — 3.15 электрическая прочность изоляции термопреобразователя сопротивления: Напряжение между выводами и корпусом термопреобразователя сопротивления (или, в случае если термопреобразователь имеет несколько чувствительных элементов, также и между… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Сопротивление изоляции и электрическая прочность изоляции — 7.5 Сопротивление изоляции и электрическая прочность изоляции Сопротивление изоляции и электрическая прочность изоляции УЗО Д должны соответствовать нормируемым значениям. УЗО Д должны выдерживать испытания по 8.8. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Особенности электрической прочности изоляции: способы измерения и причины колебания

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, либо проводят его, но плохо. С этими веществами тесно связан пробой изоляции.

Пробой изоляции — это явление, когда диэлектрические части начинают проводить ток, то есть фактически превращаются в проводники.

Если значение напряжённости в электрическом поле веществ увеличивается, что и является причиной пробоев. Для всех диэлектрических веществ есть свои пороги значений электрической прочности изоляции.

Сегодня расскажем, почему прочность изоляции может истончаться и приводит к пробоям в изоляции.

В физике

Когда напряжение в проводниках увеличивается, соответственно повышается и значения напряжённости в электрических полях. Сам пробой изоляции же возникает в проводниках, которыми могут выступать кабельные жилы или пластины.

При этом значение прочности электричества измеряется киловольтом на миллиметр или киловольтом на сантиметр. Это подходит плоским кабелям, выполненным в виде лент или пластинок, обладающими равномерными изоляционными слоями. Отличным примером является бумажный конденсатор.

Пробои в изоляции становятся причиной коротких замыканий в электрической сети. Для слоёв изоляции её значения прочности изоляции являются ключевым параметром.

О том, какой именно прочностью должны обладать изоляционные слои на тех или иных электрических установках или электрическом оборудовании, можно прочитать в соответствующих разделах ГОСТа.

Какими бывают пробои

Разделяют несколько видов пробоев изоляции. К ним относятся:

Электрические пробои.
Тепловые пробои.
Ионизационные пробои. Такой вид возникает из-за ионизации газов в диэлектрических веществах твёрдого типа.

Значения прочности зависят от неоднородных полей и протекающего процесса ионизации газов. Кроме того, это могут быть другие химические реакция, происходящие с материалом, из которого сделан слой изоляции.

Пробои могут возникнуть в одинаковых материалах от воздействия разных напряжений. Обычные порог значения напряжений выясняется путём длительных тестов и вычислений.

С помощью закона Пашена можно вычислить значение зависимости энергетической прочности от давления и размера газовых слоёв.

Связь с газом

Не все знают, как связаны между собой газ и изоляционные слои на электрическом оборудовании. При этом они тесно связаны между собой, поскольку газ считается хорошим диэлектрическим веществом.

С помощью газа обеспечивается изоляция на электрическом оборудовании, рассчитанном на большое количество вольт.

Для такой изоляции применяют:

Воздух.
Азот.
Гексафторид серы.

Гексафторид серы можно называть элегазом, он является одним из самых лучших способов обеспечения изоляции. Чтобы распределять и принимать электричество больше ста киловольт, применяют специальные устройства распределения.

Благодаря таким устройствам можно создавать отводы на электрических подстанциях, или создавать приём электрической энергии в большие города.

Для устройства распределения как раз используют элегаз. Его применяют не только как слой изоляции: газ может возникать при работе проводов, наполненных маслом. При прохождении напряжений с разным значением возникают прогрев и охлаждение.

«Термической деструкцией» называют кабели, где изоляционный слой из бумаги пропитан маслянистым веществом. При распаде целлюлозы образуется такие вещества, как метан, газы (углекислый и угарный), другие летучие вещества.

Когда слой изоляции начинает устаревать, может возникнуть пробой с ионизацией. По этой причине сегодня всё реже применяются проводники с изоляцией из пропитанной бумаги, а если они где и встречаются, то в сетях до тридцати пяти киловольт.

Почему прочность уменьшается

Есть несколько основных факторов, которые напрямую влияют на уменьшение прочности в сети:

Переменные напряжения;
Температурные значения.

В первом случае напряжение в сети может меняться. Например, на электрической станции линия достигает значений двести двадцать киловольт, но в случае поломок напряжение может упасть до ста десяти киловольт.

После обслуживания и ремонта напряжение вернётся к изначальным значением.

Такое напряжение и называют переменным, изменяющееся в определённый временной промежуток. Из-за того, что в России многие сети существуют довольно давно, они уже обзавелись своими ресурсами.

Переменное напряжение не является редким явлением для наших сетей.

При прохождении тока кабели соответственно нагреваются. Постоянные высокие температуры могут воздействовать на проводник, что влияет и на слой изоляции. Пробои напрямую зависят от разных температур.

Прочность в силовых кабелях

Для кабелей значение электрической прочности изоляции является важной характеристикой. В России во многих линиях с напряжением до пятисот киловольт считаются провода с изолирующим слоем из бумаги, пропитанной маслом.

При повышенных номинальных значениях напряжения вес провода будет увеличиваться.

Существует несколько масел, используемых для пропитывания изоляционного слоя:

Дегазированные масла.
Маловязкие масла (например, МН‑3).

Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность изоляционного слоя. Так, провода с давлением до пятнадцати атмосфер используют на линиях с большими значениями напряжения. Прочность при этом достигает пятнадцати киловольт на миллиметр.

Сегодня кабели с масляным слоем заменяются более современными, с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такие кабели обычно идут с аббревиатурой СПЭ. Вес таких проводов ниже, и их проще использовать, при этом срок эксплуатации у них одинаковый.

На СПЭ-кабели не оказывают большого воздействия температурные перепады. Кроме того, им не нужно дополнительное оборудование (например, масляные компенсирующие баки, чтобы масло всегда было на проводнике в случае пропитанной изоляции). Специалисты подтверждают, что СЭП проще обслуживать и ремонтировать.

СЭП сегодня активно развивается самыми разными производителями. При этом кабели значительно расширили свои характеристики, особенно по сравнению с кабелями с масляным слоем.

Минусом таких современных проводников является более быстрое старение. Тем не менее, современные компании производителей активно работает над этим моментом для устранения проблемы, и это уже значительно замедлило процесс старения изолирующего слоя в проводах.

Если раньше причиной пробоев в слоях были триинги, сегодня их нельзя назвать большой проблемой.

Поскольку мир не обходится без использования электрической энергии, растёт и потребность в развитии проводников для проведения электрический проводок и линий электрического обслуживания.

Благодаря этому провода развиваются и совершенствуются, а кроме того, повышается электрическая прочность , благодаря чему провода служат значительно дольше.

Что такое электрическая прочность изоляции

Пробой диэлектрика – это потеря изоляционных свойств материала при его нахождении в электрическом поле. В диэлектрике образуется канал проводимости. При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства.

Электрическая прочность – это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.

где Eпр, В/м; Uпр — пробивное напряжение, В; d — толщина диэлектрика, м.

Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому

Неполный пробой (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и

Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Поверхностный пробой происходит по границе раздела фаз при совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Электрический пробой – это разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10 -5 – 10 -8 с.

Е пр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит: от температуры, частоты приложенного напряжения; геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10 -4 — 10 -5 см .

На электрическую прочность диэлектриков значительное влияние оказывает неоднородность образующегося в них электрического поля, которая, в свою очередь, зависит от степени неоднородности строения самого твердого диэлектрика.

Е пр воздуха около 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10 2 – 10 3 МВ/м, у тщательно очищенных жидких диэлектриков Епр составляет примерно 10 2 МВ/м.

Электротепловой пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) — Q 1 становится больше отводимой теплоты – Q 2 (теплоотдачи в окружающую среду). Тепловой пробой происходит в течение 10 -2 – 10 -3 с при Епр около 10 МВ/м.

Устойчивое тепловое равновесие наступит для U 1 при T 1 и для U 2 при T 2 , когда равны тепловыделение и теплоотдача (рисунок 5.1). При T T 1 для U 1 и при T T 2 для U 2 хотя и выполняется необходимое условие теплового пробоя ( Q 1 и Q 2 ) пробой диэлектрика не происходит, так как система стремится к тепловому равновесию (с повышением температуры разность между Q 1 и Q 2 уменьшается).

При T> T 3 для U 1 и при T> T 2 для U 2 нарушается тепловое равновесие, происходит прогрессирующий разогрев материала и пробой диэлектрика.

Рис. 5.1. Соотношения между выделяемой Q 1 и отводимой Q 2 мощностями для различных напряжений U 1, U 2 и U 3 .

Пробивное напряжение при тепловом пробое:

где Ткр соответствует температурам Т2 и Т3, f — частота приложенного напряжения; C — емкость образца; α и tg δ — постоянные, зависящие от природы диэлектрика; T — температура окружающей c реды (электродов); S — площадь электрода, s — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду,

Е пр при тепловом пробое уменьшается при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением и толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10 3 -10 8 с. Причины (случаи) электрохимического пробоя:

1) Постоянное напряжение или низкие частоты: электрохимическое старение, приводящее к уменьшению электрического сопротивления.

2) На высоких частотах может происходить ионизация газа в закрытых порах, вызывающая тепловой эффект и восстановление (в керамике) окислов металлов переменной валентности. Электрохимический пробой также может наблюдаться во многих органических диэлектриках.

На электрохимический пробой сильно влияют электроды материалов (серебро способное диффундировать в керамику облегчает пробой, в отличие от золота).

Пробой газообразных диэлектриков

В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий:

1) молекула ионизируется, испуская электрон, и таким образом, двигаются два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы – в результате наблюдается ударная ионизация приводящая к возникновению электронной лавины;

2) молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения – фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация.

Фотоны, двигаясь со скоростью света, опережают электронные лавины и «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.

Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин,. Также образуется поток из положительных ионов (электроположительный стример), который двигается в обратном направлении. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы, по которому устремляется ток короткого замыкания Iкз.

Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть электрический пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя.

Закон Пашена . Закон Пашена показывает зависимость Unp газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.2). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp .мин в зависимости от произведения Ph .

Рис. 5.2. Зависимость пробивного напряжения U пр.макс воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода.

В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. Энергия, выделяющаяся в ионизирующихся пузырьках газа, приводит к перегреву жидкости, что может послужить причиной закипания капелек влаги (локальный перегрев) и возникновению газового канала между электродами.

Сажа и обрывки волокон в жидкости приводят к искажению электрического поля в жидкости, понижая электрическую прочность жидкого диэлектрика.

На высоких частотах происходит разогрев жидкости за счет релаксационных потерь и наблюдается термическое разрушение жидкости.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках может происходить электрический, тепловой или электрохимический пробой.

Ионизационный пробой наблюдается в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электротермический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Электрическая прочность очень тонких неоднородных образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов, так как возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест.

С увеличением числа слоев тонкой изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода (рисунок 5.3).

Риc. 5.3. Зависимость Eпр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)

Вопросы для самопроверки

Вопрос. Что называется электрической прочностью?

Ответ. Электрической прочностью называют минимальную напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле.

Вопрос. В чем состоит явление электрического пробоя?

Ответ. Электрический пробой – разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами.

Вопрос. От чего зависит главным образом электрическая прочность при электрической форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика.

Вопрос. При каких условиях возможен электротепловой (тепловой) пробой?

Ответ. Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше отводимой теплоты.

Вопрос. Время протекания теплового пробоя.

Ответ. Тепловой пробой обычно происходит в течение 10 -2 –10 -3 с.

Вопрос. Какие факторы обуславливают снижение электрической прочности при тепловой форме пробоя?

Ответ. Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры; при увеличении времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.

Вопрос. Чем обусловлен электрохимический пробой?

Ответ. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения.

Вопрос. В чем различие между полным, неполным и частичным пробоем?

Ответ. Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому. Неполный пробой — канал проводимости не достигает одного из электродов. Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.

Вопрос. Какие виды пробоя возможны в твердых диэлектриках?

Ответ. В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя.

Электрическая прочность изоляции. Примеры расчетов

При постепенном увеличении напряжения U между проводниками, разделенными диэлектриком (изоляцией), например пластинами конденсатора или проводящими жилами кабеля, увеличивается интенсивность (напряженность) электрического поля в диэлектрике. Напряженность электрического поля в диэлектрике увеличивается также при уменьшении расстояния между проводниками.

При определенной напряженности поля в диэлектрике возникает пробой, образуется искра или дуга и в цепи появляется электрический ток. Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой изоляции, называется электрической прочностью Eпр изоляции.

Электрическая прочность изоляции определяется как напряжение, приходящееся на 1 мм толщины изоляции, и измеряется в В/мм (кВ/мм) или кВ/см. Например, электрическая прочность воздуха между гладкими пластинами равна 32 кВ/см.

Напряженность электрического поля в диэлектрике для случая, когда проводники имеют форму пластин или лент, разделенных равномерным промежутком (например, в бумажном конденсаторе), рассчитывается по формуле

где U – напряжение между проводниками, В (кВ); d – толщина слоя диэлектрика, мм (см).

1. Какова напряженность электрического поля в воздушном зазоре толщиной 3 см между пластинами, если напряжение между ними U=100 кВ (рис. 1)?

Напряженность электрического поля равна: E=U/d=100000/3=33333 В/см.

Такая напряженность превышает электрическую прочность воздуха (32 кВ/см), и есть опасность возникновения пробоя.

Опасность пробоя при неизменном напряжении можно предотвратить увеличением зазора, например, до 5 см или применением другой более прочной изоляции вместо воздуха, например электрокартона (рис. 2).

Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε=2 и электрическую прочность 80000 В/см. В нашем случае напряженность электрического поля в изоляции равна 33333 В. Эту напряженность воздух не выдерживает, в то время как электрокартон в этом случае имеет запас по электрической прочности 80000/33333=2,4, так как электрическая прочность электрокартона в 80000/32000=2,5 раза больше, чем воздуха.

2. Какова напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора толщиной 3 мм, если конденсатор включен на напряжение U=6 кВ?

3. Диэлектрик толщиной 2 мм пробило при напряжении 30 кВ. Какова была его электрическая прочность?

E=U/d=30000/0,2=150000 В/см =150 кВ/см. Такой электрической прочностью обладает стекло.

4. Зазор между пластинами конденсатора заполнен слоями электрокартона и слоем слюды одинаковой толщины (рис. 3). Напряжение между пластинами конденсатора U=10000 В. Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε1=2, а слюда ε2=8. Как распределится напряжение U между слоями изоляции и какую напряженность будет иметь электрическое поле в отдельных слоях?

Напряжения U1 и U2 на одинаковых по толщине слоях диэлектриков не будут равны. Напряжение конденсатора разделится на напряжения U1 и U2, которые будут обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

U1/U2 =ε2/ε1 =8/2=4/1=4;

Так как U=U1+U2, то имеем два уравнения с двумя неизвестными.

Первое уравнение подставим во второе: U=4∙U2+U2=5∙U2.

Отсюда 10000 В =5∙U2; U2=2000 В; U1=4∙U2=8000 В.

Хотя слои диэлектриков имеют одинаковую толщину, нагружены они неодинаково. Диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью менее нагружен (U2=2000 В), и наоборот (U1=8000 В).

Напряженность электрического поля E в слоях диэлектриков равна:

E1=U1/d1 =8000/0,2=40000 В/см;

E2=U2/d2 =2000/0,2=10000 В/см.

Неодинаковость диэлектрической проницаемости приводит к увеличению напряженности электрического поля. Если бы весь зазор был заполнен только одним диэлектриком, например слюдой или электрокартоном, напряженность электрического поля была бы меньше, так как она была бы распределена по всему зазору совершенно равномерно:

E=U/d=(U1+U2)/(d1+d2 )=10000/0,4=25000 В/см.

Поэтому необходимо избегать применения сложной изоляции с сильно различающимися диэлектрическими проницаемостями. По той же причине опасность возникновения пробоя увеличивается при образовании в изоляции воздушных пузырей.

5. Определить напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора из предыдущего примера, если толщина слоев диэлектриков неодинакова. Электрокартон имеет толщину d1=0,2 мм, а слюда d2=3,8 мм (рис. 4).

Напряженность электрического поля распределится обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям:

Так как E1=U1/d1 =U1/0,2, а E2=U2/d2 =U2/3,8, то E1/E2 =(U1/0,2)/(U2/3,8)=(U1∙3,8)/(0,2∙U2 )=19∙U1/U2.

Отсюда E1/E2 =4=19∙U1/U2, или U1/U2 =4/19.

Сумма напряжений U1 и U2 на слоях диэлектриков равна напряжению источника U: U=U1+U2; 10000=U1+U2.

Так как U1=4/19∙U2, то 10000=4/10∙U2+U2=23/19∙U2; U2=190000/23=8260 В; U1=U-U2=1740 В.

Напряженность электрического поля в слюде E2∙8260/3,8≈2174 В/см.

Слюда обладает электрической прочностью 80000 В/мм и выдержит такую напряженность.

Напряженность электрического поля в электрокартоне E1=1740/0,2=8700 В/мм.

Электрокартон не выдержит такой напряженности, так как его электрическая прочность равна всего 8000 В/мм.

6. К двум металлическим пластинам, находящимся друг от друга на расстоянии 2 см, подключено напряжение 60000 В. Определить напряженность электрического поля в воздушном зазоре, а также напряженность электрического поля в воздухе и стекле, если в зазор введена стеклянная пластина толщиной 1 см (рис. 5).

Если между пластинами находится только воздух, напряженность электрического поля в нем равна: E=U/d=60000/2=30000 В/см.

Напряженность поля близка к электрической прочности воздуха. Если в зазор ввести стеклянную пластину толщиной 1 см (диэлектрическая проницаемость стекла ε2=7), то E1=U1/d1 =U1/1=U1; E2=U2/d2 =U2/1=U2; E1/E2 =ε2/ε1 =7/1=U1/U2 ;

U1=7∙U2; U1=60000-U2; 8∙U2=60000; U2=7500 В; E2=U2/d2 =7500 В/см.

Напряженность электрического поля в стекле E2=7,5 кВ/см, а его электрическая прочность 150 кВ/см.

В этом случае стекло имеет 20-кратный запас прочности.

Для воздушной прослойки имеем: U1=60000-7500=52500 В; E1=U1/d1 =52500 В/см.

Напряженность электрического поля в воздушной прослойке в этом случае больше, чем в первом, без стекла. После внесения стекла вся комбинация имеет меньшую прочность, чем один воздух.

Опасность пробоя возникает и тогда, когда толщина стеклянной пластины равна зазору между проводящими пластинами, т. е. 2 см, так как в зазоре неизбежно останутся тонкие промежутки воздуха, которые будут пробиты.

Электрическую прочность промежутка между проводниками, находящимися под высоким напряжением, следует усиливать материалами, имеющими малую диэлектрическую проницаемость и большую электрическую прочность, например, электрокартоном с ε=2. Следует избегать комбинаций из материалов с большой диэлектрической проницаемостью (стекло, фарфор) и воздуха, который следует заменять маслом.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Методы проверки электрической изоляции электроустановок

Испытание электрической прочности изоляции: в чём их значимость и важность?

ть электрической изоляции представляет собой один из основных и ключевых показателей надёжной и безопасной работы электрического устройства в частности и всей электрической системы в целом. В ходе производства и по его завершении на заводе-изготовителе, а потом и после транспортировки электроустановки и её монтажа на объекте проводятся неоднократные испытания электрической прочности изоляции.

Но по прошествии определённого времени и под воздействием самых различных и разнообразных нагрузок, под влиянием электрических процессов, которые происходят в самом устройстве, прочность и надёжность изоляции неизбежно ухудшается. Поэтому испытания прочности изоляции должны носить системный и регулярный характер.

Ведь именно эти испытания серьёзным образом влияют на нормальное функционирование не только одной отдельно взятой электроустановки, но и всей электрической системы того или иного объекта. Никому не хотелось бы сталкиваться с проблемами, которые были бы связаны с поломкой и входом из строя оборудования, с пожароопасными ситуациями и с различными угрозами сохранности здоровья и жизни людей на производстве и в быту.

Особенности процесса

Если напряженность электрического поля имеет большее значение, чем предел электрической прочности, возникает пробой диэлектрика. Это процесс его разрушения. Он приводит к потере в месте пробоя таким материалом его первоначальных электроизоляционных характеристик.

Пробивное напряжение — это величина, при которой наступает пробой диэлектрика.

Электрическая прочность характеризуется значением напряженности поля.

Пробой твердых диэлектриков является электрическим либо тепловым процессом. В его основе находятся явления, которые приводят к лавинному возрастанию в твердых изоляционных материалах величины электрического тока.

Пробой твердых диэлектриков имеет характерные признаки:

отсутствие или слабая зависимость от температуры и напряжения величины проводимости;
электрическая прочность материала в однородном поле независимо от толщины используемого диэлектрического материала;
узкие пределы механической прочности;
сначала ток возрастает по экспоненциальному закону, а пробои твердых диэлектриков сопровождаются скачкообразным возрастанием тока;
в неоднородном поле этот процесс возникает в месте с максимальной напряженностью поля.

Из чего состоит и как выглядит проверка электрической прочности изоляции?

Осуществляя, к примеру, ремонтные работы на какой-либо электроустановке, следует помнить, что из-за потенциальной угрозы повреждения изоляции на любом его этапе необходимо проводить проверку её прочности после завершения каждой технологической операции. Время испытаний определяется в соответствии с ГОСТом 183-74 и составляет одну минуту. Меньшая продолжительность времени может стать причиной того, что какой-либо дефект не удастся обнаружить, более длительное время создаёт угрозу повреждения изоляции. Соответственно, и уровень напряжения необходим такого уровня, чтобы было возможным выявить неисправности и повреждения, но при этом нельзя допустить появление новых дефектов как следствие самого испытания.

Проверка электрической прочности изоляции проводится только после завершения методики замера сопротивления изоляции. При этом показатели замеров должны полностью соответствовать нормативам. В условиях повышенной влажности или загрязнённости электроустановки проводить подобные испытания нецелесообразно, так как эти субъективные факторы могут стать причиной «пробоя» изоляции, искажая истинную картину состояния электрооборудования.

Организацию и проведение работ по проверке электрической прочности изоляции лучше всего доверить высококвалифицированным специалистам, ведь помимо обязательных для подобной деятельности лицензии, уровней допуска и сертификатов, они ещё предоставляют услуги специализированных электролабораторий. На мелком бытовом уровне обойтись без этого ещё можно, но для получения разрешительной документации от органов надзора и контроля без лабораторных испытаний невозможно обойтись.

Наша компания предоставляет своим клиентам широкие возможности организации разнообразных лабораторных испытаний, гарантируя высокое качество работы, неукоснительное соблюдение сроков и доступные цены. Обращаясь в , вы можете быть уверены в том, что останетесь довольны полученным результатом.

Пример технического отчета

Ниже вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором для расчёта стоимости услуг электролаборатории.

Классификация

По агрегатному состоянию все электроизоляционные материалы подразделяют на жидкие, газообразные, твердые. Самой масштабной является последняя группа диэлектриков. К ним относятся пластмассы, керамические изделия, высокополимерные материалы.

В зависимости от химического состава, электроизоляционные материалы подразделяют на неорганические и органические.

В качестве основного химического элемента в органических изоляторах выступает углерод. Максимальные температуры выдерживают неорганические материалы: керамика, слюда.

В зависимости от способа получения диэлектрики принято разделять на синтетические и природные (естественные). Каждый из видов имеет определенные особенности. В настоящее время многочисленной группой являются синтетические вещества.

Твердые диэлектрические материалы дополнительно подразделяют на отдельные подкатегории по структуре, составу, технологическим характеристикам материалов. Например, существуют воскообразные, керамические, минеральные, пленочные изоляторы.

Для всех этих материалов характерна электрическая проводимость. С течением времени у подобных веществ наблюдается изменение значения тока из-за снижения тока абсорбции. С определенного момента в электроизоляционном материале существует только ток проводимости, от величины которого и зависят свойства данного материала.

Тепловой пробой

Он появляется при больших диэлектрических потерях, подогреве материала иными источниками тепла, при некачественном отводе тепловой энергии. Такой пробой диэлектрика сопровождается нарастанием электрического тока в результате резкого снижения сопротивления на участке, где нарушена проводимость тепла. Подобный процесс наблюдается до того времени, пока не возникнет полное термическое разрушение диэлектрика в ослабленном месте. Например, произойдет расплавление исходного твердого электроизоляционного материала.

Особенности электроизоляционных материалов

Рассмотренные виды пробоя твердых диэлектриков нашли свое применение в современной электротехнике.

Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторное и конденсаторное масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.

Минеральные масла получают в результате фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим характеристикам.

Например, кабельное и конденсаторное масла имеют высокую степень очистки, поэтому обладают прекрасными диэлектрическими характеристиками. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первой проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила. Эта прозрачная вязкая жидкость обладает токсичностью, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при проведении работ с таким диэлектриком необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности.

Совтол — это смесь трихлорбензола и совола, поэтому для данного электроизоляционного материала характерно более низкое значение вязкости.

Обе синтетические жидкости применяют для пропитки современных бумажных конденсаторов, установленных в промышленных устройствах переменного и постоянного тока.

Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Высокими диэлектрическими характеристиками обладает янтарь, натуральный каучук.

У воскообразных материалов, например церезина и парафина, четко выражена температура плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическое строение.

В современной электротехнике востребованы пластмассы, являющиеся композиционными материалами. В их составе есть полимеры, смолы, красители, стабилизирующие вещества, а также пластифицирующие компоненты. В зависимости от отношения к нагреванию, их подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.

Для работ в воздушной среде применяют электрокартоны, у которых более плотная структура в сравнении с обычным материалом.

Среди слоистых электроизоляционных материалов, имеющих диэлектрические характеристики, выделим текстолит, гетинакс, стеклотекстолит. Эти слоистые пластмассы, в которых в качестве связующего вещества выступают кремнийорганические или резольные смолы, являются прекрасными диэлектриками.

Источник: gk-rosenergo.ru