Цель работы – ознакомление с методикой испытания твердых изоляционных материалов на электрическую прочность, исследование разрядных поверхностных характеристик изоляционных конструкций различных конфигураций.

Общие сведения. Механизм пробоя твердых электроизоляционных материалов определяется структурой вещества, температурой его нагрева, длительностью воздействия напряжения и свойствами окружающей среды. Различают три формы пробоя твердых ЭИМ: электрическую; тепловую; электрохимическую.

Электрический пробой возможен только при весьма сильных электрических полях, возникающих при воздействии на изоляцию импульсных перенапряжений. Он связан с развитием электронной лавины вследствие ударной ионизации. Электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь.

Наиболее частым видом пробоя твердого тела является тепловой, проявляющийся при неудовлетворительном теплоотводе и при воздействии постоянного или низкочастотного переменного напряжения.

Основные положения тепловой теории пробоя сводятся к следующему. При приложении к твердому ЭИМ высокого напряжения в нем выделяется некоторое количество тепла. Его источниками служат ток проводимости, дипольные потери и потери энергии на абсорбцию. Если количество тепла, выделяемое внутри материала, будет больше количества тепла, отводимого в окружающую среду, то температура ЭИМ начинает повышаться. Разогрев материала происходит неравномерно. Наибольшему нагреву подвергаются отдельные каналы, вдоль которых протекают токи. Так как ЭИМ обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то с нагревом ток сквозь каналы возрастает. Это ведет к дальнейшему, еще большему разогреву отдельных каналов, оплавлению и прожогу материала. ЭИМ теряет свои изолирующие свойства и наступает пробой, называемый тепловым. На вероятность возникновения теплового пробоя существенно влияет начальная температура материала. Чем она выше, тем легче развивается пробой, тем при меньшем напряжении он наступает. При низкой температуре и малом времени действия напряжения нет условий для развития пробоя.

Электрохимический пробой обычно возникает в ЭИМ с неоднородной структурой при длительном воздействии напряжения. Например, в ЭИМ с воздушными включениями под действием высокого напряжения воздух ионизируется. Образующиеся при этом атомарный кислород и водород вместе с азотом дают азотную кислоту, которая разрушает органический материал. При повышенной температуре в ЭИМ могут происходить электролитические процессы, сопровождающиеся образованием дендритов. При их прорастании на всю толщину материала происходит замыкание электродов и наступает пробой. Электрохимические явления в сочетании с действием перепадов температур, влажности, динамических, механических нагрузок приводят к постепенному необратимому ухудшению качества ЭИМ, называемому «старением» изоляции.

Пробивное напряжение стареющей изоляции постепенно снижается. Повышению ее электрической прочности способствует придание изоляции монолитности за счет пропитки жидким диэлектриком.

Электрическая прочность Е_пр для твердых ЭИМ определяется в слабонеоднородном поле. При определении Е_пр регламентируется время воздействия напряжения. В соответствии с этим различают: мгновенную и длительную (полминутную, минутную, получасовую).

У большинства высоковольтных аппаратов токоведущие части отделяются друг от друга твердыми изолирующими материалами и часть поверхности электродов диэлектриком не покрывается. Поэтому между ними остается воздушный зазор, включенный параллельно твердой изоляции. Наличие твердого диэлектрика влияет на разрядное напряжение воздушного зазора. Образование и развитие поверхностного разряда связано с эффектом искажения электрического поля у поверхности и повышением напряженности в точках поверхности раздела сред.

На рис. 3 показаны наиболее характерные взаимные расположения твердого ЭИМ и воздуха в электрическом поле. При внесении твердого ЭИМ в равномерное электрическое поле (рис. 3, а), боковая поверхность которого оказывается параллельной силовым линиям поля, равномерность поля не нарушается, поверхностный разряд имеет место, но наступает при напряжении U_р, меньшем, чем для чистого воздушного зазора. Снижение разрядного напряжения по поверхности по сравнению с разрядным напряжением чистого воздуха при равномерных и слабонеравномерных электрических полях вызывается наличием воздушных прослоек  между ЭИМ и электродами, влажностью поверхности твердого электроизоляционного материала и наличием трещин и мелких дефектов на ней.

Образование и развитие поверхностного разряда в конструкциях происходит иначе. Здесь ЭИМ помещен в неравномерное поле.

Рис. 3. Схемы, иллюстрирующие влияние твердого диэлектрика

на раз­рядное напряжение воздушного зазора:

1 – металлические электроды; 2 – твердый диэлектрик

На границе раздела сред вектор напряженности электрического поля может быть разложен на две составляющие: нормальную –  и тангенциальную– . У конструкции, приведенной на рис. 3, б, нормальная составляющая на большей части поверхности преобладает над тангенциальной. У конструкции, изображенной на рис. 3, в, тангенциальная составляющая превышает нормальную. Чем больше , тем легче за счет трения частиц и разогрева поверхности, а также возникновения термической ионизации образуется и развивается скользящий разряд. При переменном напряжении ток скользящего разряда зависит от удельной поверхностной емкости твердого ЭИМ С (Ф/см²). При постоянном напряжении скользящий разряд образуется значительно труднее, чем при переменном, что объясняется отсутствием влияния на разряд поверхностной емкости. С дальнейшим ростом приложенного напряжения наступает поверхностный разряд. При достаточной мощности источника перекрытие сопровождается дуговым разрядом, что может повредить изоляционную конструкцию. Во многих случаях требуются специальные меры, затрудняющие образование и развитие поверхностных разрядов по изоляционной конструкции. В [3] приведено описание мероприятий по защите пазовой изоляции высоковольтных электрических машин.

Программа работы

1. Определить зависимость мгновенного пробивного напряжения от толщины электроизоляционного материала (простая изоляционная бумага и пропитанная).

2. Определить длительную электрическую прочность изоляционной бумаги.

3. Снять разрядные характеристики  для диэлектрика с цилиндрической поверхностью в неравномерном электрическом поле.

4. Снять разрядные характеристики воздушного зазора в равномерном электрическом поле с твердым диэлектриком и без него.

5. Пронаблюдать и описать явление скользящего разряда на ЭИМ с плоской поверхностью (стекло).