CC BY
45
ВОЛЫ-СЕКУНДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДЫХ ОДНОРОДНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
А. В. Астафуров, А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев, Д". М. Кевролева
Вольт-секундные характеристики диэлектриков позволяют судить о скорости процесса пробоя диэлектриков, что важно знать при расчете изоляции электрических аппаратов.
Нами определены вольт-секундные характеристики большого числа твердых диэлектриков: монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ, монокри-
кв/см
3000
2500
2000
1500
1000
500
W~9 IQ"' Ю'ь 10~° ]0' Время боздейстбип напряжения, сек
Ряс. 1. Зависимость электрической прочности монокристаллов NaCl, KCl, КВг и KJ от времени воздействия напряжения.
^6000 ^5500
•ч
§
8-
§ Г
^3000
Ol
&2500
Ерр к
\
\
\
о
ю-*
70
-7
10'
10
-5
Время Ваздеистбия напряжения, сек
Рис. 2. Зависимость электрической прочности органического стекла от времени воздействия напряжения.
сталлов сегнетовой соли, льда, пластинчатого талька, содержащего кристаллизационную воду, фарфора и др.
Пробивные напряжения различных образцов одного и того же диэлектрика при одном и том же времени воздействия напряжения имеют большой разброс. При таких условиях встает задача правильного построения вольт-секундной характеристики. Следует учитывать, что наибольшее пробивное напряжение соответствует наиболее совершенному образцу. Опытные данные статистически обрабатывались по вероятности пробоя и брались значения пробивного напряжения при вероятности пробоя 1^ = 90%. Вольт-секундные характеристики при вероятности пробоя, меньшей чем 90%, имеют одинаковый характер, но закономерности выражения слабее. Величины пробивного напряжения при вероятности пробоя 1|з = 90% определяются четырьмя—-пятью наибольшими значениями пробивного напряжения при общем числе пробитых образцов, равном 20^25 при одной экспозиции.
На рис. 1, 2, 3 и 4 представлены вольт-секундные характеристики при пробое в однородном поле. На рис. 5 представлены вольт-секундные характеристики каменной соли при пробое в неоднородном поле.
Для всех исследованных диэлектриков толщиной 0,15 мм повышение электрической прочности наблюдается при экспозиции 1 • 10~7 сек и
меньше,'что указывает на одинаковый характер пробоя в этих различных по составу и по строению диэлектриках. Известно, что повышение пробивного напряжения при малых экспозициях, которое наблюдается и для газов и для жидких диэлектриков, обусловлено запаздыванием разряда.
В настоящее время сложилось мнение, что электрический пробой твердых диэлектриков является электронным процессом. Поэтому
Кб /см 3200
300
250
200
150
Ю"1 то
■ » * *
Время воздействия напряжения, сек
Рис. 3. Зависимость электрической прочности талька У, льда 2 и гипса 3 от времени воздействия напряжения.
Ц 56 8 10^ 2 3*568 Ю~5сек
Рис. 4. Вольт-временная характеристика льда при пробое в однородном поле.
время запаздывания разряда в твердых диэлектриках, так же как и в газообразных, должно в общем случае состоять из статистического времени запаздывания и времени формирования разряда. В опытах А. Ф. Вальтера и Л. Д. Инге для пластинок неокрашенной и рентгенизован-
иПр V [Ю 01 1 0,7мм
\ о
л
-О-
—^^
/¿Г7 ю~6 ю'5 Ю'* ю'3 ю'г ю~г 1 Ю время боздейстбия напряжения, сек
Рис. 5. Вольт-временная характеристика ка-менной соли ИаС1 при пробое в неоднородном поле, верхняя — острие; нижняя -(- острие.
Рис. 6. График к определению времени формирования разряда
ной каменной соли в неравномерном поле было получено одинаковое время запаздывания в обоих случаях [1].
При экспозиции 2н-3 ■ 10~8 сек также были получены одинаковые значения электрической прочности нерентгенизованной каменной соли и рентгенизованной, пробитой при сильном освещении [2]. Учитывая, что в рентгенизованных кристаллах при сильном освещении образуется большое количество свободных электронов, следует сделать вывод, что в каменной соли и, видимо, в других исследованных диэлектриках статистическое время запаздывания при экспозиции 2-нЗ - 10~8 сек практически отсутствует. Поэтому следует считать, что время запаздывания разряда в исследованных твердых диэлектриках есть время формирования разряда при данных условиях возрастания напряжения. Время формирования разряда 1ф определялось по осциллограмме напряжения, как это показано на рис. 6, где £/0 — пробивное напряжение при том времени воздействия, когда отсутствует запаздывание раз-2—1383
ряда, ^ — пробивное напряжение, когда уже есть запаздывание разряда. При этом брались значения нробивных напряжений при вероятности пробоя ф=90°/с.
Считая, что при формировании разряд проходит через всю толщину диэлектрика й, мы определили среднюю скорость распространения разряда V = Подсчитанные значения 1ф и V приведены в табл. 1.
Таблица 1
№ п/п. Исследованные диэлектрики Экспозиция 6»10'8—1,4.10-7 сек Экспозицчя 2-3-10-8 сек
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 NaCl, d = 0,15 мм KCl, d = 0,15 мм KBr, d = 0,15 мм KJ, d ~ 0,15 мм NaCl, d = 0,3 мм Сегнетова соль, d=0,15 мм NaCl, d = 0,7 мм]—острие NaCl, d = 0,7 мм',-[-острие Тальк пластинчатый, d=0,15 мм Лед, d — 0,5 см Лед, d = 1,0 см Лед, d = 1,5 см 1,7 1,6 2,2 2,1 3.0 2,35 5.1 0,9 1,95 Экспозиция 2—3- Ю - 7 сек 22,5 15,3 49,2 0,88 0,94 0,68 0,72 1,0 0,64 1,37 7,77 0,78 2,22 6,14 3,0 1,5 1,37 1,2 1,1 Нет i 1,0 1,095 1,25 1,36 данных
Из табл. 1 можно сделать следующие выводы;
1. Средняя скорость распространения разряда в твердых однородных диэлектриках высокой прочности 106 в'см) порядка 10е см\сек. Такую величину можно принять при ориентировочном расчете вольт-секундной характеристики однородной твердой изоляции электрических аппаратов.
На рис. 7 приведена вольт-секундная характеристика катушки синхронного двигателя типа АМСО-1584 (600 квту 6 000 в)> полученная Н. А. Козыревым и Д. В. Шишман |3] опытным путем и перестроенная в относительных единицах по оси ординат. Ниже приведена вольт-секундная характеристика, рассчитанная нами из условия, что скорость распространения разряда равна 1,5-10е см\сек и толщина слоя изоляции ¿=1,5 мм (10 слоев микаленты толщиной 0,15 мм [4]). При этих ус-
(I 0,15
ловиях время запаздывания составит г = - г ь — до~7 Сек. Мето-
^ср
дика построения этой кривой ясна из чертежа.
На рис. 7 видно, что обе характеристики значительно различаются, причем пологий спуск опытной характеристики, по-видимому, можно объяснить неоднородностью изоляции исследованного участка катушки и наличием воздушных включений. Пробой такой изоляции имел, видимо, сложный ступенчатый характер. На первый взгляд может показаться, что неоднородность изоляции выгодна с точки зрения грозозащиты, так как опытная характеристика лежит выше рассчитанной. Однако если бы избежать неоднородностей в изоляции и полного заполнения всех пустот твердым диэлектриком, то опытная характеристика была бы более пологой, но пробивные напряжения были бы значительно больше.
2. Средняя скорость распространения разряда в случае однородного поля б толстых слоях (¿=0,5ч-1,5 см) в несколько раз больше, чем в тонких слоях (£/=0,15^-0,3 мм).
3. Средняя скорость распространения разряда в каменной соли получилась значительно больше в случае положительной полярности острия. Такая же закономерность получилась в опытах по пробою монокристаллов КС1, КВг, КЛ и органического стекла. Указанная закономерность по-
О 12 3 4 5 6 Время Воздействия на пряжена я} жксек
Рис. 7. Опытная 1 и рассчитанная 2 вольт-временные характеристики участка катушки АМСО-1584.
казывает, что импульсы положительной полярности, опаснее для изоляг ции при воздействии на электрод, имеющий большую кривизну.
4. С увеличением перенапряжения скорость развития разряда увеличивается.
Литература
Î. Вальтер А. Ф. и И н г е Л. Д., ДАН СССР, т. 2, № 2, 66, 1934.
2. Воробьев А. А. и Воробьев Г. А., Исследование электрического пр.р-боя каменной соли, содержащей центры окраски. Известия АН СССР, серия физическая, XXII, 4, 397—400, 1958.
3. К о з ы р е в Н. А. и Ш и ш м а н Д. В., Труды научно-технической сессии по перенапряжениям, ГЭИ, 1950, стр. 293—310.
4. Под общей редакцией проф. Л. И. Сиротинского, Техника высоких, напряжений, ч. 2, ГЭИ, 1953, стр. 185.
