Тепловой пробой: Тепловой пробой p-n-перехода | Справочная информация

Тепловой пробой твердых диэлектриков

Подробности

Категория: Теория

• трансформатор
• изоляция
• повреждения
• температура

Достаточно длительное воздействие напряжения вызывает выделение тепла внутри диэлектрика, что приводит к снижению пробивного напряжения. Такое явление называется тепловым пробоем.

Через диэлектрик под действием переменного напряжения протекает емкостный ток (ток смещения) /с и активный ток /а, обусловленный диэлектрическими потерями. Отношение /а//с= tg6 — коэффициент диэлектрических потерь изоляции. В газовых изоляциях при докоронных напряжениях tg б практически равен нулю. Для твердых и жидких диэлектриков tg б находится в пределах 0,01 — 0,03 (при 7,= 20°С). С ростом температуры tg б увеличивается, а пробивное напряжение снижается.
В отличие от электрического пробоя тепловой пробой является проявлением температурной неустойчивости на молекулярном уровне.

Величина tg6 является основным показателем электрической прочности диэлектрика в отношении теплового пробоя. При увлажнении диэлектрика tg6 резко повышается. Поэтому увлажнение является наиболее вероятной причиной теплового пробоя. По мере повышения температуры снижается пробивное напряжение, однако такая зависимость существует и при электрическом пробое.
Основной особенностью теплового пробоя является медленное развитие, так как этот процесс развивается по мере разогрева диэлектрика под действием приложенного напряжения. С увеличением напряжения выше пробивного время пробоя снижается, но даже в худших условиях происходит в течение нескольких минут. При напряжении, близком к пробивному, развитие пробоя происходит в течение часов. Как правило, тепловой пробой возникает в области, в которой плохо отводится тепло. Электрический же пробой возникает в области максимальной напряженности поля на краях электродов.

Следует отметить, что тепловой пробой, так же как и электрический, имеет электрическую природу. Происходит тепловой пробой, когда температура диэлектрика достигает значения, при котором в нем образуется электропроводящий канал.

При наличии в изоляции дефектов возможно образование в диэлектрике каналов с повышенной проводимостью. Выделяющееся в этом канале тепло создает тепловой поток. С увеличением разности температур в канале и остальном диэлектрике будет расти проводимость канала и соответственно выделяющаяся при этом мощность. Если приложенное к диэлектрику напряжение выше пробивного, то температура внутри канала будет быстро расти и в течение очень малого отрезка времени произойдет пробой.

Пробой жидких диэлектриков имеет много общего с пробоем в газах. Из катода под действием приложенного напряжения выделяются электроны и количество их растет за счет ударной ионизации нейтральных молекул. Искажение электрического поля вызывает появление вторичных электронов и развитие самостоятельных разрядов в виде стримеров.

Под действием приложенного напряжения растворенный в жидком диэлектрике газ (при давлении около 10,1 МПа трансформаторное масло содержит около 10% воздуха) собирается в маленькие пузырьки. Таким образом, жидкие диэлектрики состоят из двух фаз — жидкой и газообразной. Путь разряда включает как жидкую, так и газообразную фазы, что способствует его более быстрому развитию.
В изоляционных жидкостях коронный разряд имеет форму неустойчивого стримера.

В трансформаторном масле коронный разряд не влияет на качество самого масла, но в случае повреждения твердой органической изоляции может произойти резкое снижение электрической прочности всей изоляционной конструкции.
При пересечении стримером всего изоляционного промежутка происходит искровой разряд. Температура в проводящем канале резко повышается, образуется плазма. Жидкость вокруг канала оказывает на него деионизирующее действие. Поэтому если пробой произошел под действием короткого импульса, то возможность перехода импульсного разряда в устойчивую дугу мала и в изоляционном промежутке почти восстанавливается первоначальная электрическая прочность. Пузырьки газа и частицы угля постепенно рассеиваются во всем объеме масла и не вызывают значительного снижения электрической прочности последнего. Но при загрязнениях и особенно при увлажнении электрическая прочность масла резко падает. Под действием электрического поля загрязнения и капельки влаги образуют цепочки вдоль силовых линий поля. Вдоль этих цепочек разрядное напряжение резко снижается.

В трансформаторных маслах вода может содержаться в трех состояниях: молярно-растворенном; в форме эмульсии (капли диаметром около 10 мкм) и в виде отстоя на дне емкости с маслом. Пока вода находится в растворенном состоянии она практически не оказывает влияния на пробивное напряжение. Но при изменении температуры растворенная вода может перейти в водную эмульсию и тогда пробивное напряжение резко упадет.
Вода в виде отстоя тоже не влияет на электрическую прочность масла. Однако при повышении температуры отстой переходит в водную эмульсию, поэтому водный отстой из емкости с трансформаторным маслом необходимо сливать. При увлажнении трансформаторного масла пробивное напряжение падает еще значительнее, если оно загрязнено органическими волокнами, которые очень гигроскопичны и под действием электрического поля образуют проводящие цепочки между электродами.

Разрядное напряжение в значительной степени зависит от времени приложения напряжения.

Рис. 14. Типичная зависимость электрической прочности трансформаторного масла от процентного содержания в нем влаги

В жидкостях, как и в газах, если подъем разрядного напряжения происходит во времени, меньшем чем 10 мкс, стример не успевает развиться. Значительное снижение пробивного напряжения Unp происходит при времени приложения напряжения, большем чем 0,01 с. Поэтому при грозовых импульсах примеси, в том числе и влага, практически не снижают электрической прочности трансформаторного масла.

Рис. 15. Зависимость среднего пробивного напряжения технически чистого трансформаторного масла от расстояния между электродами стержень — плоскость:

1 — импульсная волна 1.5/4 мкс отрицательной полярности. 2 то же положительной полярности; 3 — плавный подъем напряжения промышленной частоты, 4 — одноми — нутное воздействие напряжения промышленной частоты
Разрядное напряжение в значительной мере зависит от длины промежутка между электродами, причем при положительной полярности разрядное напряжение ниже, чем при отрицательной. 50%, в очищенном масле разброс £пр сокращается до 5—10%. Таким образом, разброс является показателем чистоты трансформаторного масла.

При плохом отводе тепла в жидких диэлектриках, так же, как и в твердых возможен тепловой пробой. Но если циркуляция масла обеспечена, то возможность тепловой формы пробоя исключается.

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• Оборудование
• Трансформаторы
• Теория
• Закон теплового старения изоляции трансформатора

Еще по теме:

• Методология диагностики трансформаторов
• Относительная скорость теплового старения изоляции трансформатора
• Закон теплового старения изоляции трансформатора
• Причины ухудшения характеристик трансформаторного масла в высоковольтных вводах
• Обслуживание маслонаполненных вводов трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов с масляной системой охлаждения

Трансформаторы

Тепловой пробой твердых диэлектриков

ГлавнаяТехнология конструкционных электротехнических материалов Тепловой пробой твердых диэлектриков

04. 08.2013 11:12

•  
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(4 голоса, среднее 4.00 из 5)

У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1. электрический;
2. тепловой;
3. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении на­пряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжении, называемом напряжением теплового пробоя, тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во вре­мени и разрушение диэлектрика.

Для загрязненных либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возника­ет вследствие положительного температурного коэффициента электропровод­ности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с рос­том температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде

(2.1)

где а – температурный коэффициент зависимости; T₀ – начальная температура; σ(T₀) – электропроводность при начальной температуре.

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом.

Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении они определя­ются удельной проводимостью диэлектрика γ, а при переменном – тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ . Так как с повышени­ем температуры величины γ, а в об­ласти повышенных температур – и величины  tgδ растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение γ или tgδ с повышением температуры, в свою очередь, приводит к увеличению вы­деляемых в диэлектрике потерь и к дальнейшему росту температуры; это заканчивается тепловым разрушением диэлектрика.

Рисунок  2.1 – Схема диэлектрика к расчёту теплового пробоя:

А, В – электроды; С – диэлектрик

Рассмотрим слой однородного диэлектрика с толщиной 2h = d, находящийся между бесконечными плоскими элек­тродами (рисунок 2.1). Составим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесному состоянию системы. В дан­ном случае из соображений симметрии принимаем плоскопараллельное тепловое поле с градиентом температуры по оси z. Поток тепла, входящий за 1 с в параллельный электро­дам слой диэлектрика толщиной dz и площадью 1 см², бу­дет меньше потока, выходящего из слоя, на количество теп­ла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие ди­электрических потерь

(2.2)

где k – коэффициент теплопроводности диэлектрика; γ_э – эквивалентная удельная проводимость диэлектрика. Для переменного напряжения

(2.3)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость; – частота приложенного напряжения.

Напряженность теплового пробоя изменяется обратно пропорционально d.

С учетом связи между γ и tgδ по уравнению (2.3) имеем

(2.4)

где k – в кал/с град см; U_пр – в вольтах.

Приведенные выше формулы получены в предположении, что в диэлектрике при его разогреве величина напряженности поля не зависит от координаты z. Это допущение можно считать справедливым при переменном напряжении, для ко­торого, если пренебречь током проводимости

(2.5)

Величина ε для большинства технических диэлектриков сла­бо зависит от температуры при не очень высоких частотах. При постоянном напряжении

(2.6)

и вследствие зависимости γ от T имеет место существенная зависимость Е от z, причем слои диэлектрика, ближайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные.

В этом случае напряженность и напряжение теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (2.4 и (2.5), в которых изменяется только функция

(2.7)

(2.8)

При d → ∞ и  c → ∞ φ₁(с) → 1,0. Повышение пробивных напряжений для постоянного напряжения при тех же d и γ_э объясняется уменьшением напряженности в центральной части диэлектрика, т. е. в области наибольших температур, и затруднением развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика (λd<<4k) на основании (2.7) и (2.8), пробивное напряжение пропорционально √d, а пробивная напряженность – обратно пропорциональна √d. Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлек­трике за счет потерь, равно количеству тепла, отводимого через электроды, установившаяся температура может ока­заться слишком высокой. Разрушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода.

Конструкция и область применения различных типов кабеля < Предыдущая		Следующая >Зависимость пробивного напряжения в твердом диэлектрике от температуры и частоты

Обновлено 13. 04.2018 16:53

 

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Основное меню

Авторизация

Логин

Пароль

Запомнить меня

• 
  
  Забыли пароль?
• 
  
  Забыли логин?

Термический пробой

Когда изоляционный материал подвергается воздействию электрического поля, материал нагревается из-за тока проводимости и диэлектрических потерь из-за поляризации.

ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ

 

При
изоляционный материал подвергается воздействию электрического поля, материал нагревается
из-за тока проводимости и диэлектрических потерь из-за поляризации.
проводимость материала увеличивается с повышением температуры и
состояние неустойчивости достигается, когда выделяемая теплота превышает теплоту
рассеивается материалом, и материал разрушается.

 

Рис. 2.13
показывает различные кривые нагрева, соответствующие разным электрическим напряжениям, в виде
функция температуры образца. Предположим, что разница температур
между температурой окружающей среды и температурой образца невелика, закон Ньютона
охлаждение изображается прямой линией.

 

Тест
образец находится в тепловом равновесии, соответствующем полю E ₁ при температуре
Т ₁ , так как сверх этого вырабатываемого тепла меньше, чем теряется. Нестабильный
равновесие существует для поля E ₂ при T ₂ ,

 

и для
поле E ₃ состояние равновесия никогда не достигается и, следовательно,
образец термически разрушается.

 

По порядку
чтобы получить основное уравнение для изучения теплового пробоя, рассмотрим
куб (рис. 2.14) внутри диэлектрического образца со стороной Δx и
перепад температур на его гранях в направлении теплового потока (примем
здесь поток вдоль оси x) равен ΔT. Следовательно, градиент температуры равен

Здесь
второй член указывает на подвод тепла к дифференциальному образцу. Поэтому,
тепло, поглощаемое дифференциальным объемом куба

Теплота
вход в блок будет частично рассеиваться в окружающую среду, а частично
повысит температуру блока. Пусть C _V — тепловая
емкость диэлектрика, σ электрическая проводимость, E электрическое поле
интенсивность. Тепло, выделяемое электрическим полем = σE ₂ Вт, а
предположим, что повышение температуры блока равно ΔT, за время dt мощность
необходимое для повышения температуры блока на ΔT равно

 

Решение вышеприведенного уравнения даст нам время, необходимое для достижения
критическая

температура
T _c для которых будет достигаться термическая неустойчивость и диэлектрик будет
теряют теплоизоляционные свойства.

 

Однако,
к сожалению, уравнение можно решить в настоящем из C _V , K
и σ является функцией температуры, и на самом деле σ может также зависеть от
напряженность электрического поля.

 

Следовательно,
чтобы получить решение уравнения, мы делаем некоторые практические предположения и
для ее решения рассмотрим две крайние ситуации

 

Таблица:
2.3 Напряжение теплового пробоя

 

Таблица 2.3
дает для толстого образца значения теплового пробоя для некоторых диэлектриков под
переменный ток и постоянный ток напряжения при 20°С.

 

• Предыдущая страница
• Следующая страница

Учебный материал, Лекционные заметки, Задание, Справочник, Объяснение описания Wiki, краткое описание

Электромеханическая поломка | Термический пробой

Электромеханический пробой: Когда твердые диэлектрики подвергаются воздействию сильных электрических полей, разрушение происходит из-за электростатических сжимающих сил, которые могут превышать механическую прочность на сжатие. Если толщина образца d ₀  и он сжат до толщины d под действием приложенного напряжения V, то электрически возникающее сжимающее напряжение находится в равновесии, если

, где Y — Модуль Юнга .

Из уравнения. (4.1)

Обычно механическая нестабильность возникает, когда

Подставляя это в уравнение. 4.2, максимальное кажущееся электрическое напряжение до пробоя,

Приведенное выше уравнение является приблизительным, поскольку Y зависит от механического напряжения. Кроме того, когда материал подвергается высоким напряжениям, теория упругости не работает, и необходимо учитывать пластическую деформацию.

Недавно эта теория была модифицирована на основе концепции механики разрушения. В новом механизме нитевидные трещины распространяются через диэлектрический материал, высвобождая как электростатическую энергию, так и энергию деформации электромеханического пробоя, хранящуюся в материале из-за приложенного электрического поля. Это аналогично обычному механическому распространению трещин в хрупких материалах, где трещины распространяются спонтанно, если высвобождаемая энергия деформации больше, чем требуется для преодоления ударной вязкости материала.

Термический пробой:

Обычно напряжение пробоя твердого диэлектрика должно увеличиваться с увеличением его толщины. Но это верно только до определенной толщины, выше которой тепло, выделяющееся в диэлектрике из-за протекания тока, определяет проводимость. Когда электрическое поле приложено к диэлектрику, ток проводимости, каким бы малым он ни был, протекает через материал. Ток нагревает образец, и температура повышается. Вырабатываемое тепло передается в окружающую среду за счет теплопроводности через твердый диэлектрик и излучения от его внешних поверхностей. Равновесие достигается, когда тепло, используемое для повышения температуры диэлектрика, плюс излучаемое тепло равняется выделенному теплу. Тепло, выделяемое при постоянном токе. напряжение E равно

где σ — постоянная составляющая. электропроводность образца.

Под переменным током полей, выделяемое тепло

где,

f = частота в Гц,

δ = угол потерь диэлектрического материала, а

E = среднеквадратичное значение.

Рассеиваемое тепло (Вт _T ) определяется как

, где

C _В = удельная теплоемкость образца,

T = температура образца,

K = теплопроводность образца и

t = время, в течение которого рассеивается тепло.

Равновесие достигается, когда выделяемое тепло (W _d.c.  или W _ac. ) становится равным рассеиваемому теплу (W _T ). На практике всегда есть некоторое количество тепла, которое излучается наружу.

Пробой происходит, когда W _d.c. или W _а.с. превышает W _Т . Состояние тепловой неустойчивости показано на рис. 4.3. Здесь потери тепла показаны прямой линией, а тепло, генерируемое на полях E ₁  и E ₂  , показаны отдельными кривыми. На поле E ₂ пробой происходит как при температурах T _A , так и при T _B .