Молодой учёный

“Young Scientist” . #3 (50) . March 2013 Physics
2. Тепловой пробой твердых диэлектриков
Тепловой пробой возникает вследствие нарушения теплового
равновесия между процессами тепловыделения
и теплоотдачи в диэлектрике. В результате диэлектрических
потерь материал диэлектрика нагревается и происходит
процесс тепловыделения, который выражается
уравнением диэлектрических потерь:
P = U 2 ·w·C·tgd, (3)
где U – приложенное к диэлектрику напряжение, w –
частота изменения напряжения, C – электрическая емкость
диэлектрика, tgd – тангенс угла диэлектрических
потерь.
Образующееся тепло выделяется в окружающую
среду, благодаря процессам теплопроводности токопроводящих
частей установки и конвекции воздуха – происходит
теплоотдача. Процесс теплопередачи выражается с
помощью формулы Ньютона:
P T = s·S·(T –T 0), (4)
где s – коэффициент теплоотдачи, S – площадь поверхности
диэлектрика, T – температура поверхности диэлектрика,
T 0 – температура окружающей среды.
Условие теплового равновесия имеет вид:
U 2 ·w·C·tgd = s·S·(T –T 0). (5)
В случае нарушения равновесия между процессами
тепловыделения и теплоотдачи (тепловыделение превышает
теплоотдачу) диэлектрик разогревается, что приводит
к тепловому разрушению материала и потере электрической
прочности.
Первые работы по исследованию механизмов теплового
пробоя принадлежат Вагнеру, Гюнтершульцу и
Штейнметцу и относятся к началу XX века [3, с. 92]. Основные
теории теплового пробоя твердого диэлектрика
представлены на рис. 3.
Еще в первой теории теплового пробоя, предложенной
Вальтером, отмечалось, что вероятность пробоя
существенно повышается в диэлектрике с неоднородной
структурой. В той части диэлектрика, где наблюдается
Рис. 3. Основные теории теплового пробоя
структурная неоднородность (пора или микротрещина, заполненная
маслом или водой) возникают наибольшие релаксационные
потери и наибольшая плотность тока, поэтому
выделяется наибольшее количество теплоты [6, с.
132]. Несмотря на все выявленные недостатки, теория
Вагнера дает наглядное представление о процессах, происходящих
при тепловом пробое [3, с. 94].
3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков
Электрохимический пробой возникает в результате
электрического старения диэлектрика под воздействием
окружающей среды и электрического поля. Воздействие
внешних факторов приводит к протеканию в диэлектрике
необратимых химических процессов, в результате физико-химические
характеристики материала ухудшаются
и его электрическая прочность снижается.
Различают естественное и электрическое старение
твердых диэлектриков. Естественное старение происходит
не только при использовании диэлектрического материала,
но и при его хранении и обусловлено воздействием
воздуха, солнечных лучей и других факторов окружающей
среды. Электрическое старение происходит под действием
приложенного напряжения преимущественно в порах, заполненных
воздухом или влагой [6, с. 136].
Скорость электрического старения и механизмы химических
процессов зависят от внешних условий и материала
диэлектрика. Экспериментально доказано, что
основной причиной старения органической изоляции, к
которой можно отнести бумажную составляющую электроизоляционной
системы энергетического оборудования,
в сильном электрическом поле являются частичные разряды,
протекающие в газовых порах [3, с. 188]. Процессы,
приводящие к электрическому старению диэлектрика, достаточно
разнообразны [3, с. 189] и представлены на рис 4.
В твердых диэлектриках, в том числе в бумажно-масляной
изоляции, имеются различные дефекты – трещины,
поры и другие инородные включения. Включения,
3