Газообразные диэлектрики

К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух.

Воздух является естественной изоляцией многих электротехнических конструкций: трансформаторов, конденсаторов, воздушных выключателей, линий электропередачи и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы.

Как диэлектрики воздух имеет следующие положительные свойства:

– быстро восстанавливает свою электрическую прочность после пробоя;

– отсутствие старения, т.е. ухудшения свойств с течением времени;

– малые диэлектрические потери.

Отрицательными свойствами воздуха как диэлектрика являются:

– невозможность использования его для закрепления деталей устройств, вследствие чего они применяются в сочетании с твёрдыми диэлектриками;

– невысокая электрическая прочность;

– способность увлажнятся;

– образовывать окислы и поддерживать горение;

– низкая теплопроводность.

Электрическая прочность воздуха не является величиной постоянной, а зависит от давления, относительной влажности, формы электродов и расстояния между ними, от вида напряжения, а также от полярности электродов.

Пробой газообразных диэлектриков всегда начинается с ударной ионизации. Электрический ток проводимости в какой либо среде, в частности в газах, возможен только в том случае, когда в ней имеются свободные заряженные частицы – электроны и ионы. В нормальном состоянии частицы газа – атомы и молекулы – нейтральны; газ в этом случае не проводит электрического тока. Однако под влиянием внешнего электрического поля в газах возникают свободные заряды в виде электронов, а также положительных и отрицательных ионов.

Ударная ионизация вызывается соударениями электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Для начала ударной ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электронов, разгоняемых электрическим полем, стала больше энергии ионизации. Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой

Пробой газа в однородном и неоднородном полях имеет некоторые отличия. Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Пробой газа в однородном поле

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закруглёнными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определённого напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, так как ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов. Это сказывается более сильно при особо малых расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, среднее значение которого при нормальных барометрических условиях составляет 10-5 см. При нормальных условиях, т.е. при давлении 0.1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3.2 МВ/м (3.2 кВ/мм), при расстоянии между электродами 6 мм – 70 МВ/м.

Пробивное напряжение увеличивается с увеличением давления газа и толщины слоя газа. С уменьшением же давления газа и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается, но, пройдя минимум, оно снова возрастает. Для воздуха минимальное пробивное напряжение равно около 300 В, для разных газов лежит в пределе 195-520 В. Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей конденсаторов высокого напряжения.

Пробой газа в неоднородном поле

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, остриём и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающими радиус сферы и т.д.

Неоднородность поля приводит к тому, что в некоторых местах густота силовых линий очень велика, а значит напряженность имеет повышенное значение и ударная ионизация начинается уже при напряжениях, меньших, чем характерно для данного промежутка.

Особенностью пробоя газов в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. Корона – это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами, т.к. ударная ионизация затрудняется вследствие малой общей длины пробега свободных зарядов.

Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между линиями электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы и т.д. Особенностью пробоя газов в неоднородной поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряжённость поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В неоднородном электрическом поле прочность воздуха зависит от полярности электродов. Наиболее ярко эффект полярности электродов сказывается при несимметричных электродах, а именно: стержень-плоскость.

Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и неполярными. Их электрофизическое свойства в значительной степени зависят от строения молекул и наличия примесей.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью, электропроводностью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью.

Жидкие диэлектрики применяются в электрических аппаратах высокого напряжения, в блоках электронной аппаратуры (изоляция, отвод тепла).

Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти и представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического радов с небольшой примесью других компонентов (атомов серы, кислорода и азота). Свежее трансформаторное (конденсаторное) масло имеет обычно соломенно-желтый цвет (чем глубже очистка, тем светлее).

Нефтяные электроизоляционные масла – горючие жидкости, поэтому правила пожарной безопасности должны тщательно соблюдаться. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров в смеси с воздухом, – должна быть не ниже 135-140 0С. Важно и значение температуры застывания (гашение дуги, отвод тепла). Наиболее важные свойства нормированы ГОСТ 982-80. Это: кинематическая вязкость; кислотное число- количество граммов КОН, которым можно полностью нейтрализовать все кислые продукты в 1кг масла (для учета старения масла при эксплуатации); плотность масла (0,85-0,9 мг/м3); температурный коэффициент объемного расширения (0,00065 К-1); удельная теплоемкость 1,5 Дж/(кг*К); коэффициент теплопроводности (1 Вт/м*К).

Трансформаторное масло в работе постепенно стареет – потемнение; образуются загрязняющие продукты (кислоты, смолы), которые заиливают электроаппарат и ухудшают электропровод от нагревающихся деталей. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число, ухудшаются электроизоляционные свойства.

Скорость старения возрастает:

а) при доступе воздуха (окисление);

б) при повышении температуры (наивысшая – 95 0С);

в) при соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) – катализаторами старения;

г) при воздействии света;

д) при воздействии электрического поля.

Добавки ингибиторы – антиокислительные присадки (ионол, пирамидон и др.).

Регенерация масла достигается обработкой специальными адсорбентами. Кроме трансформаторного масла используют и другие виды: конденсаторные, кабельное масла, масла для масляных выключателей, контакторных устройств.

Синтетические жидкие диэлектрики применяются, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасной среде. Стоимость синтетических масел выше нефтяных.