Електрохімічний пробій

Електрохімічний пробій - це пробій, зумовлений хімічними процесами, щоприводять до погіршання діелектричних властивостей. Він спостерігається при постійній напрузі в іонних діелектриках і в просоченій паперовій ізоляції, його причиною в твердих діелектриках є зростання дефектності та іонної провідності діелектрика внаслідок іонного характеру електропровідності, що супроводжується електролізом. Це приводить до нагромадження вакансій біля електрода, знак напруги на якому відповідає знаку заряду іонів, а біля протилежного - зростає концентрація іонів у міжвузлях. В лужних іонних кристалічних діелектриках можуть утворюватися металеві дендрити, які замикають електроди.

У просоченій паперовій ізоляції електрохімічне старіння спостерігається за підвищених температур (вище 50 ⁰C), прискорюючись з ростом напруги. Вважається, що основну роль у цьому процесі відіграють іони водню, які під час гідролізу целюлози виділяються та скупчуються біля катода. Особливо небезпечні вони у випадку хлорованого просочення – утворюється соляна кислота і відбувається корозія електродів, що супроводжується зростанням у зоні просочення концентрації іонів металу, які каталітичне сприяють розкладанню ізоляції.

Зазначимо деякі особливості іонізаційного та електрохімічного видів пробою. Перший розвивається під дією часткових розрядів, другий - під дією електрохімічних процесів, які змінюють структуру речовини, а закінчуються обидва електричним або тепловим пробоєм залежно від умов експлуатації. Тому часто говорять про іонізаційний та електрохімічний механізми старіння, а не про пробій діелектриків.

За дуже короткого часу дії імпульсної напруги може спостерігатися електромеханічний пробій, пов’язаний з пошкодженням діелектрика механічними зусиллями, що виникають під впливом електричного поля. У цьому випадку канал пробою також утворюється вже після руйнування діелектрика.

В електроізоляційних конструкціях пробій може проходити вздовж поверхні твердого діелектрика в газі чи в рідині, тоді його називають поверхневим. У результаті поверхневих пробоїв, що повторюються, або поверхневих розрядів на поверхні діелектриків, особливо органічних, утворюються провідні сліди, які погіршують електроізоляційні властивості конструкції. Це явище називається трекінгом.

При вивченні пробою діелектриків рекомендується керуватися схемою, що зображена на рис. 7.

Завдання для самостійної роботи

1. Вивчити загальні закономірності пробою.

2. Вивчити особливості розвитку лавинного та стримерного пробоїв газоподібних діелектриків.

3. Пояснити, чому не спостерігається кореляції? (відповідності) між енергією іонізації молекул газу та його електричної міцності.

4. Вивчити відмінності в механізмах пробою особливо чистих та технічних рідинних діелектриків.

5. Вивчити закономірності розвитку електричного та теплового пробою твердих діелектриків та умови, при яких вони можуть спостерігатися, а також іонізаційний та електрохімічний види пробоїв.

6. Виділити основні характеристики діелектриків, що визначають їхню електричну міцність.

7. Ознайомитись з механізмами впливу різних зовнішніх факторів (частоти або напруженості електричного поля, його конфігурації (однорідності), температури, вологості та т. д.) на електричну міцність діелектриків у різному агрегатному стані.

8. Виявити, які можливості суміщення функцій (електрична ізоляція, тепловідвід, конструкційні та ін.) існують для різних електроізоляційних матеріалів.

Контрольні запитання

Наведіть визначення основних фізичних величин та технічних параметрів, що пов’язані з пробоєм діелектриків.

Які процеси призводять до пробою діелектриків?

Охарактеризуйте механізм пробою газоподібних діелектриків.

Назвіть фактори, що впливають на електричну міцність газоподібних діелектриків?

Як можливо підвищити робочу напругу газонаповнених електротехнічних конструкцій?

Назвіть особливості пробою газоподібних діелектриків у неоднорідному електричному полі та їх вплив на пробивну напругу.

Як впливає відстань між електродами розрядного проміжку на електричну міцність масла та газоподібних діелектриків?

Механізми пробою рідинних діелектриків.

Як домішки впливають на електричну міцність рідинних діелектриків?

Як можливо збільшити електричну міцність трансформаторного масла?

Пояснити екстремальний перебіг електричної міцності кабельного паперу у залежності від кількості шарів.

Як та чому геометричні фактори впливають на пробивну напругу електроізоляційних конструкцій?

Запитання для контрольних робіт

Опишіть процес пробою газів в однорідному полі. Поясніть залежність електричної міцності газів від відстані між електродами.

Опишіть процес пробою газів в неоднорідному полі. Поясніть залежність електричної міцності від полярності електродів і відстані між ними.

Наведіть приклад залежності електричної міцності газів від тиску (за постійної температури) та поясніть її. Як залежить електрична міцність газів від температури?

Опишіть головні фактори, які впливають на електричну міцність технічних рідких діелектриків.

Які процеси лежать в основі електричного пробою і в яких діелектриках він спостерігається? Як залежить електрична міцність при електричному пробої від геометрії та розмірів проміжку, від характеристик електричного поля і зовнішніх факторів?

В яких діелектриках спостерігається електротепловий пробій? Опишіть закономірності його розвитку та залежність від характеристик проміжку, поля, зовнішніх факторів.

Дайте порівняльну характеристику усіх видів пробою твердих діелектриків.

Наведіть необхідні умови та опишіть закономірності іонізаційного пробою. Поясніть хід "кривої життя" діелектрика.

74-83. Між тонкими плоскими електродами вміщено пластинку діелектрика товщиною h. Діелектрична проникність цього матеріалу ε,тангенс кута діелектричних втрат при температурі T₀ дорівнює tgd₀, теплопровідність l, робоча температура T.Визначте пробивну напругу пластинки при електротепловому пробої, якщо частота прикладеної напруги f.

Тепловий пробій діелектрика відбувається при напрузі, меншій за максимальну електричну міцність матеріалу. Запропонуйте заходи щодо підвищення стійкості електротехнічних виробів до теплового пробою.

Наявність газових порожнин в електроізоляційному матеріалі викликає його прискорене старіння та передчасний вихід виробів з ладу. Як, використовуючи тільки електричні вимірювання, виявити ці порожнини у матеріалі?

Відомо, що пробій діелектрика за нормальних обставин відбувається за тепловим механізмом. За яких умов стає можливим електричний пробій цього ж діелектрика?

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ, ТЕПЛОФІЗИЧНІ

ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ

При вивченні зазначених питань слід виходити з системного підходу та розглядати фізико-механічні, теплофізичні й хімічні властивості діелектриків, враховуючи їхній взаємний вплив і вплив на електрофізичні властивості. Особливу увагу слід звернути на параметри матеріалів, що характеризують їхню стійкість до дії вологи, високих і низьких температур, механічних навантажень, радіації, хімічних речовин і біологічних факторів, тому що саме вони визначають можливість використання матеріалу у виробах для різних кліматичних зон.

Вологопоглинання, вологопроникність і вплив вологи на електрофізичні характеристики визначаються полярністю та структурою діелектрика. Вода, як найбільш полярна рідина, швидко дисоціює та сприяє дисоціації діелектриків, тому утворення на поверхні діелектрика плівки вологи супроводжується значним зниженням питомого поверхневого опору, а поглинання її об’ємом? супроводжується ростом питомої об’ємної провідності релаксаційних і діелектричних втрат, зниженням електричної міцності. Винятково великий вплив має волога на електрофізичні характеристики волокнистих матеріалів і матеріалів з відкритою пористістю (табл. З, 4).

Практично важливі показники електричної ізоляції при підвищенні температури погіршуються. Тому виняткового значення набуває питання про здатність ізоляції тривалий час витримувати підвищену температуру без значного зниження експлуатаційної надійності, тобто питання про найвищу допустиму робочу температуру чи нагрівостійкість ізоляції. Пропонується розглянути його з енергетичної точки зору. Матеріал, стійкий до нагрівання, повинен мати значну енергію зв’язку між атомами та молекулами, щоб підвищення температури не змінило помітно його характеристики.

Неорганічні діелектрики, як правило, відзначаються високою стійкістю до нагрівання. Із них виділяються ковалентні діелектрики - перспективний матеріал для застосування в екстремальних умовах. Стійкість до нагрівання полімерних діелектриків значною мірою визначається складом і будовою молекулярних ланцюгів і структурою речовин. Так, карболанцюгові полімери, як правило, мають низьку стійкість до нагрівання внаслідок схильності до окислення. Винятком є лише ті полімери, в яких атоми водню заміщуються галогенами, наприклад фторопласт. Введення в основний ланцюг макромолекули ароматичних ланок чи інших елементів (гетероланцюгові полімери) також значно підвищує стійкість матеріалу до нагрівання. Зростає стійкість до нагрівання лінійних полімерів із збільшенням довжини макромолекул і ступеню кристалічності полімеру.

Нагрівостійкість композиційних матеріалів значною мірою визначається не тільки природою в’яжучої складової, а й наповнювачем. Для підвищення нагрівостійкості компаундів, лакованих матеріалів, шаруватих пластиків. прес-композицій як наповнювачі використовують неорганічні матеріали - слюду, кварц, тальк, скловолокно, азбест, склотканини. Нагрівостійкість електроізоляційних матеріалів можна оцінювати за класом нагрівостійкості чи температурним індексом. Нагрівостійкість виступає зараз як характеристика систем електричної ізоляції електроустаткування, вона характеризується максимальною температурою, за якої ізоляція може тривалий час працювати без помітного погіршення властивостей. Конкретнішу оцінку нагрівостійкості електроізоляційного матеріалу дає температурний індекс, що чисельно дорівнює температурі, за якої строк служби матеріалу становить 20 тисяч годин. Ще повніша характеристика нагрівостійкості. забезпечується профілем нагрівостійкості, який відображається сукупністю трьох температур, що відповідають строкам служби 20000, 5000, 500 годин за ймовірності надійності 0,95. Температурний індекс і профіль нагрівостійкості електроізоляційних матеріалів визначаються звичайно за результатами прискорених випробувань, завдяки підвищенню температури, шляхом екстраполяції до потрібного значення строку служби.

Таблиця 3

Поверхневе зволоження діелектриків

Таблиця 4

Об’ємне зволоження діелектрика

Такі теплофізичні характеристики, як температура плавлення і температурний коефіцієнт об’ємного розширення, тісно пов’язані з енергією міжмолекулярних зв’язків. Найнижчі температури плавлення у лінійних полімерів, що обмежує їхню термостійкість. Просторові полімери не­плавкі й можуть експлуатуватися за вищих температур. Неорганічні ма­теріали, особливо ковалентні кристали, в цьому плані переважають органічні.

Значення TK об‘ємного розширення необхідно знати при конструю­ванні електроустаткування, що працює в широкому діапазоні температур. У цьому випадку добирають матеріали з приблизно однаковими TK об’ємного розширення, щоб запобігти термомеханічним напруженням, або передбачають спеціальні конструктивні заходи для їх зменшення.

Стійкість до термоудару (їх може бути і декілька) визначається різницею температур, пере­пад яких діелектрик може витримати без механічного руйнування. Вона тим вища, чим більша механічна міцність матеріалу та чим нижчі модуль Юнга, коефіцієнт Пуассона та TК об’ємного розширення. Тому високу стійкість до термоудару мають органічні термопластичні матеріали. З неорганічних діелектриків можна назвати кварц, нітрид кремнію, оксид берилію та ін.

При розгляді питання про стійкість діелектриків до дії радіо­активного опромінювання слід розрізняти ефекти, що спостерігаються тільки у процесі опромінювання внаслідок іонізуючої дії радіації (ріст провідності, створення об’ємних зарядів і т.п.) та пост-ефекти, які визначаються, у першу чергу, ростом дефектності матеріалу. Найчутливіші до радіації у процесі опромінювання є електрофізичні характе­ристики, а залишкові зміни (чого?)більш за все впливають на механічні властивості. З усіх діелектриків радіація найнебезпечніша для по­лімерів, особливо тих, в яких при опромінюванні переважають процеси деструкції. Але й у “зшивних” полімерів при певних дозах опромінювання погіршуються властивості.

СТАРІННЯ ДІЕЛЕКТРИКІВ