Электрическая прочность. Виды диэлектриков. Особенности

Известно, что электрическая энергия предается от источника к потребителю по медным жилам или алюминиевым проводникам, помещенным в защитную диэлектрическую оболочку. Ее наличие решает целый ряд задач, включая защиту пользователя от высокого напряжения, а также исключение возможности КЗ и сведение к минимуму токовых утечек на землю. Именно поэтому при выборе кабельно-проводной продукции особое внимание уделяется такой ее характеристике, как электрическая прочность изоляции.

Наряду с обеспечением безопасности пользователя этот показатель, в конечном счете, определяет эффективность работы всей энергосистемы в целом. Со временем защитные свойства диэлектрика постепенно ухудшаются, что вынуждает периодически проверять прочностные показатели кабельной изоляции. Добавим к этому что «старение» защитного покрытия может быть ускорено действием целого ряда непредвиденных разрушающих факторов.

Что такое электрическая прочность и от чего она зависит

Для любого вида кабельной или проводной продукции вводится параметр, характеризующий способность их защитного покрытия выдерживать воздействие так называемого «пробивного» напряжения. В действующих нормативных документах (в ПУЭ, в частности) он определяется как электрическая прочность изоляции данного изделия.

Величина этого показателя зависит от целого ряда факторов это:

Толщина защитного слоя.
Диэлектрическая проницаемость используемого изолятора или его тип.
Температура окружающей среды и изолирующего материала.
Вид приложенного к защитной оболочке напряжения.

На практике для каждого вида изоляционного покрытия этот параметр определяется опытным путем после целой серии контрольных испытаний. При их проведении на защитную оболочку площадью «S» подается потенциал с напряженностью электрического поля «E», измеряемый в кВ/см. В результате испытания на прочность определяется величина пробивного напряжения, достаточного для разрушения слоя изоляции толщиной «d».

Elektricheskaia prochnost 2

Зависимость прочностных характеристик от типа диэлектрика

Электрическая прочность изоляции зависит не только от рассмотренных показателей, но и на ее величину значительное влияние оказывает агрегатное состояние используемого диэлектрика. Так, для сухого воздуха, в частности, ее среднее значение составляет 32 кВ/см. Другие виды газообразных диэлектриков для защиты электротехнических изделий используются крайне редко.

В электротехнике широкое распространение получили твердые диэлектрические структуры, из которых изготавливаются изоляционные покрытия, а также корпуса приборов и защитные прокладки. К недостаткам этого типа изоляторов относят то, что после первичного воздействия высокого напряжения в них образуются микротрещины и незаметные визуально каналы. Они становятся причиной того, что для повторного пробоя потребуется значительно меньшая разность потенциалов.

Среди жидких диэлектриков особо выделяется специальная смесь из масел, заливаемая во внутренние части следующих электротехнических устройств:

Мощные силовые трансформаторы.
Высоковольтные выключатели.
Изоляционные полости кабелей высокого напряжения.

Подвижность жидких диэлектрических структур – несомненное преимущество изоляторов этого типа, обеспечивающее им способность к восстановлению после очередного пробоя высоким напряжением. Благодаря этому свойству такие смеси оптимально подходят для гашения дуги в распространенных в электротехнике масляных выключателях и подобных им приборах.

Физическое обоснование прочностных характеристик диэлектриков

При рассмотрении физических свойств диэлектриков их электрическая прочность определяется количеством имеющихся в материале несвязанных носителей заряда. Молекулы вещества настолько надежно удерживают валентные электроны на своих орбитах, что даже сообщение им «мощного» энергетического импульса (подача высокого напряжения) не способно высвободить их.

Интересный результат удается получить в ситуации, когда между испытательными пластинами размещают сразу две разновидности диэлектрического материала (например, пластик и воздушную прослойку). Их сочетание приведет к тому, что общий показатель электрической прочности станет равным значению худшего из этих двух изоляторов. Из этого эксперимента следует вывод о том, что для сохранения своих прочностных показателей выбранный тип диэлектрика должен иметь однородную структуру.

Физическое обоснование влияния температуры на свойства диэлектрических материалов и их электрическую прочность выглядит так:

Нагрев диэлектрика приводит к ускорению движения свободных заряженных частиц.
Следствие этого – повышение его проводимости, что означает снижение электрической прочности.
Понижение температуры материала вызывает обратный эффект (он проявляется в увеличении энергии, необходимой для разрушения связей и пробоя диэлектрика).

Снижение электрической прочности диэлектрического вещества при подаче на него переменного напряжения объясняется эффектом поляризации заряженных частиц, меняющей свой знак с частотой 50 Гц. Это явление особо заметно в тех случаях, когда в диэлектрике имеются включения каких-либо инородных материалов.

Для изоляции на основе однородного и абсолютно «чистого» диэлектрика переход от постоянного напряжения к переменному практически не влияет на электрическую прочность. Логическое следствие описанных физических процессов – изменение изолирующих свойств материала и возможность разрушения кабельного покрытия в случае снижения его прочностных характеристик.

Типы пробоев в диэлектриках

По особенностям происходящих в материале диэлектрика процессов его пробои подразделяются на следующие виды:

Электрический.
Тепловой.
Электромеханический.
Электрохимический.
Ионизационный.

Первый из этих процессов чаще всего наблюдается в твердых диэлектриках. Он характеризуется «классическим» лавинообразным пробоем, приводящим к разрыву молекулярных связей.

Тепловой пробой типичен для случаев, когда изоляция сильно перегревается из-за неспособности поглотить излишки энергии. Этот процесс сопровождается деформацией защитного покрытия и его заметным утончением. Электромеханический пробой чаще всего наблюдается в хрупких изоляционных покрытиях из фарфора или керамики, в которых внутренние разрывы приводят к существенным механическим повреждениям.

Разряды четвертого типа вызваны старением изоляционного покрытия и изменением его химического состава. Иногда они происходят из-за диффузии материала проводника в микропоры диэлектрика, приводящей к заметному снижению электрической прочности кабельной продукции. Ионизационные пробои характерны для газообразных веществ, в которых возможно образование полярных молекул.

В реальности все варианты нарушения изоляции дополняют друг друга. Этим и объясняется тот факт, что электрическая прочность изоляции снижается по мере ее старения, то есть по истечении определенного времени.

Как проверяется электрическая прочность

Контроль состояния изоляции позволяет своевременно выявлять старение диэлектрика в следующих видах электрического оборудования:

Обмотки силовых трансформаторов.
Опорные и проходные изоляторы.
Силовые кабельные изделия.
Высоковольтные вводные устройства (ВВУ) и т. п.

Возможность своевременного выявления ухудшения состояния изоляции – надежная гарантия того, что все устройства удастся вовремя восстановить.

При проведении испытаний изоляции по показателю «электрическая прочность» применяются различные методики, среди которых особо распространены следующие:

С помощью специальных измерителей сопротивления изоляции (мегаомметров).
Испытания посредством подачи на изоляционное покрытие повышенного напряжения.
Путем измерения коэффициента диэлектрических потерь.

При измерении сопротивления изоляции применяются приборы, рассчитанные на испытательные напряжения величиной в 500, 1000 или 2500 В. Выбор одного из них зависит от характеристик испытуемого агрегата, а длительность воздействия регламентируется положениями ПТЭЭП.

Испытание подачей высокого напряжения предполагает подключение вторичной обмотки повышающего трансформатора к оболочке кабельного изделия. Такая процедура, как правило, носит кратковременный импульсный характер, поскольку длительное воздействие такого потенциала может привести к необратимому разрушению изоляции.

Методика испытаний, основанная на определении коэффициента диэлектрических потерь, базируется на том, что в идеальном изолирующем материале этот показатель стремиться к нулю. Если он имеет величину, отличную от нулевого значения – это свидетельствует о существенном снижении прочности защитного покрытия.

Elektricheskaia prochnost 3

Графически потери в диэлектрике выражаются в виде наличия определенного угла между векторами, соответствующими активной и реактивной составляющей переменного тока. Величина потерь для данного вида кабельной продукции оценивается модулем вектора, равным отношению двух этих компонентов (tg δ).