Пробій діелектриків. Загальна характеристика явища пробою

Сторінка 27 з 62

Відсутність часткових розрядів (ЧР, ПЧР), а також пробоїв у повітрі та вздовж поверхні на високій частоті, порівняно з їх відсутністю на промислової частотиє більш важливим для ізоляційних конструкцій. Виникнення ЧР призводить до утворення радіоперешкод, а також переростання ЧР у вкрай небезпечну для апаратури смолоскипну форму розряду.
Напругу утворення ПЧР у зручній для аналітичного визначення формі можна обчислити за формулою

Мал. 3.5. Залежність напруги пробою від відстані між електродами шар-площина (криві 1.. .3) і гіперболоїд-площина (криві 4 і 5) на частоті 50 і 1000 кГц
1 - r = 1,4 мм; 2 - r=3 мм; 3 - r=5,5 мм; 4 - r=2 мм; 5 - r = 10 мм
де I – відстань між електродами; r0- найменший радіус кривизни електродів; kH – коефіцієнт нерівномірності електричного поля; з - коефіцієнт, що залежить від форми імпульсу напруги та коефіцієнта нерівномірності електричного поля; δ - відносна густинаповітря.
Необхідність дослідження пробою в повітрі на високих частотах, крім загальновідомих причин, виникає для конструкцій з твердою ізоляцією у разі застосування некоростійких полімерних матеріалів(ПЕ, ПП, Ф-4 та ін) з метою створення системи ізоляції, що гарантує відсутність пробою вздовж поверхні тіла ізолятора.
З підвищенням частоти спостерігається зниження розрядних напруг порівняно з постійною напругою та напругою промислової частоти.
З рис. 3.5 видно характер зміни напруги зі зростанням міжелектродної відстані та зміною радіусів кривизни електродів.
Залежність напруги пробою від частоти для зазначених електродів чітко виявляється лише у кривих 1 і 2, де напруга на частоті 50 кГц приблизно на 6% більше, ніж частоті 1000 кГц. На інших розрядних проміжках різниця становить 1...2% і не може чітко фіксуватися. Це зниження пов'язане із накопиченням об'ємного заряду позитивних іоніву розрядному проміжку, який спотворює електричне поле та збільшує його в активній області біля катода.
Роботами групи А. А. Жукова знайдено, що освіта на високих частотах струмів негативних та позитивних іонів при низьких значенняхнапруги свідчить про початок формування об'ємного заряду до значень передпробійної напруги і тільки перед пробоєм починається його швидкий ріст. При цьому слабо нерівномірних полях напруга пробою в дослідженому діапазоні частот 0,05... 5 МГц залежить від частоти, а при різко нерівномірному полі такої залежності не спостерігається.

< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплітуда коливань іонів та електронів може виявитися меншою за довжину проміжку ще задовго до досягнення частотою значення першої критичної. Характерним розміром проміжку вважають тут протяжність активної зони, тобто зони, де ефективний коефіцієнт іонізації електронним ударом аеф> 0 ·
Таблиця 3.5


У табл. 3.5 наведено значення розрядних напруг при постійній відстані 30 мм нормальних умовах. Дані таблиці свідчать про зниження напруги із зростанням частоти на 7...35% у міру збільшення коефіцієнта нерівномірності електричного поля.

При цьому слабо нерівномірних полях напруга пробою в дослідженому діапазоні частот 0,05... 5 МГц залежить від частоти, а при різко нерівномірному полі такої залежності не спостерігається.
Накопичення об'ємного заряду стає можливим, коли амплітуда дрейфових коливань іонів у змінному електричному полі з підвищенням частоти стає менше розмірурозрядного проміжку. Частота, коли починається зниження напруги, називається першої критичної частотою. Значення критичної частоти для ізоляційних конструкцій залежить від коефіцієнта нерівномірності електричного поля, характерного розміру довжини проміжку, від і тиску газу. З подальшим підвищеннямчастоти зниження розрядної напруги уповільнюється. Нове різке зниженнярозрядної напруги з підвищенням частоти спостерігається, коли амплітуда дрейфових коливань електронів стає меншою за характерний розмір розрядного проміжку. Відповідна частота називається другою критичною частотою. Її виникнення зазвичай виявляється у діапазоні частот, відповідному мегагерцам.
Описана залежність розрядної напруги від частоти чітко спостерігається в проміжках з коефіцієнтом нерівномірності kH< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплітуда коливань іонів і електронів може виявитися меншою за довжину проміжку ще задовго до досягнення частотою значення першої критичної. Характерним розміром проміжку вважають тут протяжність активної зони, тобто зони, де ефективний коефіцієнт іонізації електронним ударом аеф > 0.
Таблиця 3.5


У табл. 3.5 наведено значення розрядної напруги при постійній відстані 30 мм у нормальних умовах. Дані таблиці свідчать про зниження напруги зі зростанням частоти на 7...35% зі збільшенням коефіцієнта нерівномірності електричного поля.

Для практичних цілей можна скористатися значеннями розрядної напруги в нормальних умовах для коефіцієнта нерівномірності електричного поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблиця 3.6

Для слабо нерівномірних електричних полів має місце монотонне зменшення розрядної напруги із зростанням частоти.
Таблиця 3.7


Коефіцієнти нерівномірності електричного поля та напруженості освіти ЧР можна визначити із рівнянь, наведених у табл. 3.7 де I - відстань між електродами;

r – радіус кривизни; р = r/l; δ - відносна щільність повітря.
Для експериментальних даних розрядних напруг між електродами шар-куля, шар-площина, гіперболоїд обертання - гіперболоїд обертання, гіперболоїд обертання - площина і для коаксіальних систем були визначені з використанням програми AXIAL значення максимальних напруг, які порівнювалися зі значеннями, визначеними по Бенінгу для частот до 20 МГц.
Таблиця 3.8
Розрядні характеристики для електродів куля - куля (амплітудні значення)


Характеристики, наведені у табл. 3.8...3.10 можуть бути використані для наближених розрахунків значень k і l конструкцій з близькими геометріями.
Розраховані за табл. 3.7 значення kн для міжелектродних відстаней 5...20 мм відповідно дорівнюють 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.

Таблиця 3.9
Розрядні характеристики для електродів куля - площина при r0 = 10 мм
(амплітудні значення)


Аналізуючи експериментальні значенняпробою повітряних проміжків шар-куля радіусом 10 мм (табл. 3.8), можна спостерігати, що при однаковій форміелектродів зі зростанням ізоляційного проміжку, крім відомого зниження Еср, істотно зростає значення Еmах.
Значення величин Emаx, розрахованих по Бенінгу і Піку, мають значні розбіжності. Різниця значень збільшується зі зростанням відстані між електродами, що характерно і для електродів шар-площина (табл. 3-9).
Таблиця 3.10
Розрядні характеристики для електродів куля - площина при r=3 мм та f=5-103..1-106 Гц (амплітудні значення)


Величини Етаx, визначені за програмою AXIAL і Бенінгом, практично не відрізняються і можуть бути використані для визначення ізоляційних проміжків і вибору геометрії електродів.

Порівняння табл. 3.8 та 3.9 показує, що при однакових радіусах кривизни куль і відстанях між електродами великі значення напруги пробою мають місце для електродів куля-куля, що, очевидно, викликано більш рівномірним електричним полем і, отже, більш рівномірним розподіломзаряду вздовж поверхні електрода. З порівняння також видно, що при відстанях понад 15 мм великі значення Етах не свідчать про більшому значеннінапруги пробою. Тому попередній вибір форми та розмірів ізоляційних проміжків доцільно виробляти не за значенням Етах, а до. Значення Етах не є абсолютним критерієм для вибору системи ізоляції, у той час як зменшення k завжди забезпечує суттєві переваги в порівнянні з нерівномірними полями.
Для електродів шар-площина радіусом 3 мм (табл. 3.10) напруги пробою для діапазону частот 5103...106 Гц близькі за своїми значеннями.
Значення Етах в 1,5 рази вище, ніж напруженість для електродів типу кулі радіусом 10 мм, але напруженість пробою менше 1,5... 2 рази. Отже, при рівних міжелектродних проміжках значення для кулі радіусом 3 мм майже в 2 рази перевищують k для кулі радіусом 10 мм. Це додатковим свідченням універсальності вибору геометрії поля з урахуванням коефіцієнта kH.
Розрядні характеристики (амплітудні значення) для різних відстаней між гіперболоїдами обертання та r0 = 10 мм наведені у табл. 3.11.
Таблиця 3.11

Таблиця 3.12


Таблиця 3.13

Для електродів гіперболоїд обертання – площина та гіперболоїд – гіперболоїд (табл. 3.11) з радіусами кривизни 10мм характерне зниження значень Еср та Етах зі збільшенням відстані між електродами і відповідно зі зростанням kH. Більше високі значення Uпр, а відповідно і Етах, Еср, при рівних радіусах кривизни та відстанях між електродами мають місце для електродів гіперболоїд – гіперболоїд.
З даних, наведених у табл. 3.8...3.11, випливає, що при виборі високочастотних ізоляційних проміжків з електродами рівного радіусукривизни доцільно застосовувати їх у наступному порядку: гіперболоїд-гіперболоїд, куля-куля, куля-площина, гіперболоїд-площина, які забезпечують велику електричну міцність за інших рівних умов.
При виборі тих же ізоляційних проміжків, виходячи з напруги утворення ЧР, переваги знижуватимуться для електродів шар-площина, шар-куля, гіперболоїд-гіперболоїд, гіперболоїд - площина.
Розрядні характеристики для коаксіальної системи із зовнішнім діаметром 40 мм наведені в табл. 3.12.
Як очевидно з табл. 3.12 для коаксіальної системи характерні ті ж залежності, що і для інших елементів - зростання напруги пробою зі зменшенням kH і зниження його з підвищенням частоти.
Розрядні характеристики коаксіальної системи для різних значеньвнутрішнього та зовнішнього радіусів кривизни на частоті 100 кГц (амплітудні значення) наведені у табл. 3.13.
Дані таблиці. 3.13 свідчать про те, що зі збільшенням радіусу зовнішнього електрода при незмінному значенні радіуса кривизни внутрішньої, тобто зі зростанням міжелектродної відстані, зростають напруга розряду та максимальна напруженість електричного поля. При постійній відстані між електродами та зростанні радіусів внутрішнього та зовнішнього електродів, тобто зі зменшенням коефіцієнта нерівномірності електричного поля, мають місце збільшення розрядної напруги та зменшення значення максимальної напруженості.
Смолоскипний, або одноелектродний, розряд є різновидом високочастотного розряду і виникає при частотах в кілька мегагерц а ділянках електрода з максимальною напруженістю і максимальними градієнтами температурного поля. Іонізація та підвищення температури повітря в цих ділянках призводить до появи стовпа іонізованого повітря, яке піднімається, набуваючи форми смолоскипа. Факел (табл. 3.14), що утворився, пересувається разом з рухом повітря, руйнуючи ізоляцію та інші елементи конструкції, так як його температура перевищує 2000° С.
Потрапляючи в область зниженої напруженості електричного поля, смолоскип згасає.

Поряд з впливом на факельний розряд температури іонізованого повітря, на порогову напругу та критичну частоту можуть впливати теплопровідність провідника, площа поверхні охолодження, кліматичні фактори (вологість, запиленість).
Створення умов, що виключають створення ізоляційної конструкції факельного розряду, зустрічає труднощі внаслідок впливу на його утворення випадкових факторів, що призводять до виникнення локальних напруженостей або температурних випромінювань, скупчення пилу або вологи, утворення коротких замикань або надмірних перенапруг, наприклад, при комутаціях. Спостерігалися випадки утворення факельного розряду у разі комах на високочастотних проводах.
Наявність факельного розряду неприпустима через небезпеку перегорання проводів, значних втрат енергії та зниження форми сигналу, що передається.

Зниження напруги пробою вздовж поверхні ізоляції до 20...25% зі зростанням частоти для конструкцій із слабо нерівномірним полем спостерігається вже за 10...20 кГц. Більш раннє, порівняно з пробоєм повітряних проміжків, досягнення першої критичної частоти можна пояснити підвищенням напруженості електричного поля на межі діелектрика, присутністю макро- та мікронеоднорідностей на поверхні внаслідок недостатньої чистоти обробки поверхні діелектрика, осідання пилу, вологи тощо. Зменшення напруги поверхневої , в порівнянні з повітряним, розряду обумовлено також зростанням ємнісних струмів та процесом об'ємної іонізації повітря зі збільшенням діелектричної проникностітверду ізоляцію. Звідси випливають особливі вимоги до зниження ємності, що пред'являються високочастотним ізоляційним конструкціям - зниження площі арматури, збільшення ізоляційного проміжку, зниження діелектричної проникності матеріалу та ін.
Проведені групою А. А. Жукова випробування циліндричних зразків з міполону, фторопласту-4 та стеатиту марки Б-17, поміщених між електродами Рогівського в діапазоні 1-5 МГц, показали:

1. в порівнянні з аналогічним повітряним проміжком, що має пробій при напрузі 9,4 кВ, напруга пробою вздовж поверхні міполону склала 8,5 кВ, для Ф-4 - склало 8,75 кВ, а для Б-17 - знизилося до 5 кВ;
2. на відміну від пробою в повітрі після пробою вздовж поверхні за відсутності високочастотної напруги спостерігається повільне (до 5 хв) спадання струмів позитивних та негативних іонів.

Передбачається, що причина цих явищ - заряд, що накопичується на поверхні діелектрика. Поверхневий пробій відбувається за наявності змінного високочастотного поля та постійної складової об'ємного заряду, що не враховується вимірювальною апаратурою.

Зараз ми якісно розглянемо деякі характеристики полів навколо провідників. Зарядимо електрикою провідник, але цього разу не сферичний, а такий, який має вістря або ребро (наприклад, у формі, зображеній на фіг. 6.14). Тоді поле в цьому місці виявиться набагато сильнішим, ніж в інших місцях. Причина у загальних рисахполягає в тому, що заряди прагнуть якомога ширше розтектися по поверхні провідника, а кінчик вістря завжди віддалений далі від решти поверхні. Тому частина зарядів на пластині тече до вістря. Відносно мала заряду на ньому може створити велику поверхневу щільність, а висока щільністьозначає сильне полепоблизу провідника у цьому місці.

Фіг. 6.14. Електричне поле біля гострого краю провідника дуже велике.

Взагалі у тих місцях провідника, в яких радіус кривизни менший, поле виявляється сильнішим. Щоб переконатися в цьому, розглянемо комбінацію з великої та маленької сфер, з'єднаних дротом, як показано на фіг. 6.15. Сам провід не буде сильно впливати на зовнішні поля; його справа – зрівняти потенціали сфер. Біля якої кулі поле виявиться більш напруженим? Якщо радіус лівої кулі а, а заряд Q, його потенціал приблизно дорівнює

(Звичайно, наявність однієї кулі позначиться на розподілі зарядів на іншій, так що насправді ні на одному з них заряди не будуть розподілені симетрично. Але якщо нас цікавить лише зразкова величина поля, то можна користуватися формулою потенціалу сферичного заряду.) Якщо менший куля радіусом b має зарядом q, то його потенціал приблизно дорівнює

Але j1=j2, тож

З іншого боку, поле біля поверхні [див. рівняння (5.8)] пропорційно поверхневої щільностізаряду, яка у свою чергу пропорційна сумарному заряду, поділеному на квадрат радіусу. Виходить що

Фіг. 6.15. Поле гострого предмета можна приблизно вважати полем двох сфер однакового потенціалу.

Значить, у поверхні меншої сфери поле більше. Поля обернено пропорційні радіусам.
Цей результат з технічної точки зору дуже важливий, тому що в повітрі виникає пробій, якщо поле надто велике. Якийсь вільний заряду повітрі (електрон або іон) прискорюється цим полем, і якщо воно дуже сильне, то заряд може набрати до зіткнення з атомом таку швидкість, що виб'є з атома новий електрон. У результаті з'являється дедалі більше іонів. Їхній рух і становить іскру, або розряд. Якщо вам потрібно зарядити тіло до високого потенціалу так, щоб воно не розрядилося в повітря, ви повинні бути впевнені, що поверхня тіла гладка, що на ньому немає місць, де поле занадто велике.

Зараз ми якісно розглянемо деякі характеристики полів навколо провідників. Зарядимо електрикою провідник, але цього разу не сферичний, а такий, який має вістря або ребро (наприклад, у формі, зображеній на фіг. 6.14). Тоді поле в цьому місці виявиться набагато сильнішим, ніж в інших місцях. Причина в загальних рисах полягає в тому, що заряди прагнуть якомога ширше розтектися по поверхні провідника, а кінчик вістря завжди віддалений від решти поверхні. Тому частина зарядів на пластині тече до вістря. Відносно мале кількістьзаряду на ньому може створити велику поверхневу густина,а висока щільність
означає сильне поле поблизу провідника у цьому місці.

Фіг. 6.14. Електричне поле біля гострого краю провідника дуже велике.

Взагалі у тих місцях провідника, в яких радіус кривизни менший, поле виявляється сильнішим. Щоб переконатися в цьому, розглянемо комбінацію з великої та маленької сфер, з'єднаних дротом, як показано на фіг. 6.15. Сам провід не сильно впливатиме на зовнішні поля; його справа – зрівняти потенціали сфер. Біля якої кулі поле виявиться більш напруженим? Якщо радіус лівої кулі а, а заряд Q, його потенціал приблизно дорівнює

(Звичайно, наявність однієї кулі позначиться на розподілі зарядів на іншій, так що насправді ні на одному з них заряди не будуть розподілені симетрично. Але якщо нас цікавить лише зразкова величина поля, то можна користуватися формулою потенціалу сферичного заряду.) Якщо менший куля радіусом володіє зарядом q,то його потенціал приблизно дорівнює

Але j 1 =j 2 так що

З іншого боку, поле біля поверхні [див. рівняння (5.8)] пропорційно до поверхневої щільності заряду, яка у свою чергу пропорційна сумарному заряду, поділеному на квадрат радіуса. Виходить що

Фіг. 6.15. Поле гострого предмета можна приблизно вважати полем двох сфер однакового потенціалу.

Значить, у поверхні меншої сфери поле більше. Поля обернено пропорційні радіусам.

Цей результат з технічної точки зору дуже важливий, тому що в повітрі виникає пробій, якщо поле надто велике. Якийсь вільний заряд у повітрі (електрон або іон) прискорюється цим полем, і якщо воно дуже сильне, то заряд може набрати до зіткнення з атомом таку швидкість, що виб'є з атома новий електрон. У результаті з'являється дедалі більше іонів. Їхній рух і становить іскру, або розряд. Якщо вам потрібно зарядити тіло до високого потенціалу так, щоб воно не розрядилося в повітря, ви повинні бути впевнені, що поверхня тіла гладка, що на ньому немає місць, де поле занадто велике.

У повітрі при атмосферному тискунеобхідно напруга в 30 тис. в, щоб пробити зазор в 1 см між кулями з радіусом також в 1 см. Розсунемо кулі. Прийде докласти більше, щоб пробити повітряний проміжок.

Мимоволі напрошується аналогія з механіки. У сталевий балон накачується повітря. Він тисне на стіни. При дуже високому тиску вони можуть розірватися. Чим товщі стінки, тим вищий тиск витримує балон. При електричному пробої здається природним, що більший шарповітря витримує більшу напругу.

Замість того щоб збільшувати відстань між електродами, можна збільшити щільність навколишнього повітря, помістити електроди в стислий газ. Це також збільшить пробивну напругу.

У двигунах внутрішнього згоряннясуміш підпалюється електричної іскрою. У циліндр двигуна вкручується свічка з двома нікелевими електродами на відстані близько міліметра один від одного. При атмосферному тиску цей проміжок між електродами пробивається при 3-5 кв. А коли суміш у циліндрі стиснута, потрібна напруга, у кілька разів більша.

Інша залежність пробивної напруги від тиску та зазору в електровакуумних приладах. У тиратронах, наприклад, зменшують зазор між сіткою та анодом, щоб збільшити пробивну напругу. У тиратронах зменшення відстані збільшує електричну міцність приладу.

Пробій газового проміжку розвивається так: у зазорі між електродами завжди є кілька вільних електронів. Коли до електродів прикладається напруга, електрони починають рухатися до позитивного електрода. На шляху ці електрони можуть зустрічати нейтральні молекули газу. Відстань між двома такими зустрічами, двома поштовхами називається вільним пробігом електрона. Вільний пробіг від густини газу. При атмосферному тиску вільний пробіг – це незначні частки міліметра. А при високому розрідженні вільний пробіг досягає кількох сантиметрів.

Якщо електрон ударяється про нейтральну молекулу з досить великою швидкістювін розбиває її - вириває з неї один або навіть кілька електронів. Ці електрони разом із початковими рухаються також до позитивного електрода. По дорозі вони можуть зустріти ще нейтральні молекули, вирвати з них нові електрони. Коли напруга між електродами досить велика, виникає електронна лавина. Невелика початкова кількість електронів в результаті численних зіткнень зростає, як снігова куля, що котиться з гори.

Виникнення електронної лавини – це і є пробою. Коли щільність газу велика, то електрон на пробігу між двома суударениями може накопичити достатньо енергії, щоб вибити з молекули новий електрон лише за високій напрузіміж електродами. Чим більше щільністьгазу, тим вище напруга, при якому може утворитися електронна лавина і станеться пробою.

Якщо ж щільність газу мала, вільний пробіг електронів великий, то велика їх кількість пролітатиме між електродами, взагалі не зустрічаючи молекул газу і не вибиваючи нових електронів.

В цьому випадку чим менше щільністьгазу чи менше відстань між електродами, тим більше напруга необхідно, щоб викликати лавину електронів, зробити пробій.

На фіг. 7-22 наведена зразкова крива залежності пробивної напруги від добутку щільності газу на зазор між електродами.

Фіг. 7-22. Залежність пробивної напруги між двома електродами від добутку щільності р газу, що оточує електроди, на відстань d між електродами.

Найменша пробивна напруга виходить, коли вільний пробіг електрона має величину одного порядку з відстанню між електродами. Пробивна напруга зростає в обох випадках: і коли вільний пробіг електрона значно менший за відстань між електродами (область високих тисків) і коли вільний пробіг електрона значно більше відстаніміж електродами (область низьких тисків)

Найменша напруга потрібна для пробою, коли відстань між електродами одного порядку з вільним пробігом електрона. У електричних ланцюгах часто використовуються розрядники. Вони діють як запобіжні клапани. Їхнє призначення бути самим слабким місцемв електричного ланцюга. У розрядниках так підбирають конструктивні розміри, що відповідають мінімуму кривої пробою.

При атмосферному тиску, щоб отримати малу пробивну напругу, треба давати зазор між електродами розрядника кілька мікронів. Зручніше помістити електроди розрядника в колбу зі зниженим тиском. Тоді мінімальна пробивна напруга відповідає зазору кілька міліметрів.

Мінімальна пробивна напруга може бути 100-200 ст. Якщо зменшити густину газу, що оточує електроди, величина пробивної напруги зросте. У газотронах (фіг. 2-4) відстань між катодом і анодом така ж, як і в розрядниках, але в розрядниках тиск газу в балоні - кілька міліметрів ртутного стовпа, а в газотронах тиск дорівнює лише кільком десятитисячним міліметра ртутного стовпа. Пробивна напруга газотрону близько 20 000 ст. При ще більшому розрідженні між електродами пробивна напруга зростає до кількох сотень тисяч вольт.

Плоскогір'я замість вершини

Буває, що точка максимуму виражена невиразно.

При індукційному нагріванні плавильної печі (фіг.

7- 9), або для поверхневого гарту (про гарт буде розказано в наступних розділах) важливо отримати високий к. п. д. Змінний струм, Що циркулює в індукторі, створює навколо його провідників швидкозмінний електромагнітний потік. Цей потік пронизує поміщений індуктор виріб, збуджує у виробі вихрові струми. Відношення потужності, що виділяється у виробі вихровими струмами, до всієї потужності, що підводиться до індуктора, - це і є цікавий для нас електричний к. п. д. індуктора.

При низькій частоті струму в індукторі виріб, як говорилося, прозоро для магнітного потоку. Вихрові струми у виробі слабкі, потужність, що виділяється, мізерна в порівнянні з втратами в індукторі. З підвищенням частоти струму в індукторі потужність виробі зростає спочатку як квадрат частоти. Швидко росте к. п. д. Але потім зростання к. п. д. сповільнюється. Вихровий струму виробі може бути інтенсивніше, ніж породив його струм індуктора. Коефіцієнт корисної діїнаближається до деякого граничного значення. Його граничне значення к. п. д. η„ від матеріалу індуктора р ь матеріалу виробу, що нагрівається, р і від співвідношення поверхонь, що омиваються швидкозмінним магнітним потокомв індукторі S t та виробі S a .

Можна підвищити частоту струму в 10 або навіть. 100 разів, але к. п. д. ніколи не досягне значення η 0 При ще більшому підвищенні частоти к. п. д. може почати падати через те, що індуктор випромінюватиме електромагнітну енергіюна всі боки, як широкомовної радіостанції, і з'являться великі втратиу навколишніх індукторах предметах. Але до цієї межі зазвичай ніколи не доходять з інших причин.

Фіг. 7·23. Коефіцієнт корисної дії індуктора, що нагріває кулю, залежно від частоти струму. Розміри кулі та індуктора показані у верхньому леЕсм куті малюнка.

Крива « - Куля з магнітної сталі (у;ельний електроопір р ■» 1C·′ ом. см і магнітна пронність μ ■» 100); γ- сталь немагнітна (нагріта вище 7oS e С); р - ΙΟ- 4 , μ - 1; С - графіт: р - 5 · 10 - 5, μ - 1; Сі - мідь: р-1,7 * 10 · *, μ-1 *

На фіг. 7-23 представлений хід кривих к. п. д. для випадку нагрівання куль діаметром 50 мм різних матеріалів, що поміщаються всередину індуктора у вигляді циліндричної спіралі з висотою та діаметром, рівним 100 мм (криві побудовані на основі розрахунків, проведених мною перед війною на заводі «Світлана»).

Як тут визначити найвигіднішу частоту? Крапки максимуму на цих кривих немає. Після крутого підйому йде перегин, а потім майже горизонтальна ділянка.

Насамперед треба зазначити, що нагрівальний індуктор - це лише одна ланка установки високочастотного нагріву. З індуктором завжди з'єднана (безпосередньо або через) конденсаторна батарея. І вартість цієї батареї, і втрати в ній залежить від частоти. При одній і тій же корисній потужності, що передається, витрати на батарею конденсаторів для різних частотможуть відрізнятися у кілька разів.

Від частоти струму та тип генератора. Якщо частота струму вище 10 000 гц, доцільно застосовувати тільки з електронними лампами. Втрати енергії в цих лампах можуть перевищувати 20% від потужності, що перетворюється. При нижчих частотах можна застосовувати і машинні, і з іонними лампами, в яких втрати менше 10%. Може виявитися вигідним кілька пожертвувати к. п. д. індуктора, зате виграти на к. п. д. генератора.

Можна побудувати криву повного к. п. д. та повних експлоатаційних витрат нагрівальної установкизалежно від частоти струму. Але й ця крива здебільшогоне має вигляду гострого піку, а нагадує собою плоскогір'я.

Але тут електрик має прислухатися до голосу металурга та машинобудівника. При високочастотному нагріванні металів енергетика - лише служниця технології. Основне призначення нагрівальної установки - це економити енергію, а давати продукцію вищої якості. При поверхневому загартуванні часто доводиться вибирати частоту, значно більшу, ніж це потрібно з міркувань к. п. д. Так буває при нагріванні виробів складної форми. Тільки високочастотний струм може обійти 'по всіх виступах та западинах виробу. Іноді ж, навпаки, вибирають явно занижену з погляду частоту, щоб отримати прогрів відразу в товстому шарі і вузьку перехідну зону між нагрітим і серцевим металом.

Тому на кривій залежності к. п. д. нагрівального індуктора від частоти струму треба мати лише якусь опорну точку. Точку, нижче за яку к. п. д. росте швидко, а вище - повільно. Але це не така певна річ, як точка максимуму або мінімуму, яка визначається математично абсолютно однозначно. Крапка переходу від крутого схилу до пологої частини (коліно на кривій) це поняття умовне.

У моїй книзі «Індукційне нагрівання металів» я так визначив мінімально допустиму частоту струму, або, що те саме, максимальну допустиму довжину хвилі:

«При нагріванні циліндра. або кулі з не магнітного матеріалутреба, щоб довжина електромагнітної хвилів цьому циліндрі або кулі була менша за його радіус. Коефіцієнт корисної дії сильно погіршується, якщо струм має нижчу частоту і, отже, довшу хвилю. При нагріванні кулі з магнітного матеріалу коліно кривої к. п. д. відповідає хвилі, яка в магнітну проникність (μ) разів менша за радіус кулі. Коли нагрівається не кульовий і не циліндричний виріб, а плоска плита, бажано, щоб ширина індуктора була більше довжинихвилі».

Різні автори неодноразово пропонували інші формулювання для кордону «достатнього електричного к. п. д.». Одні писали, що хвиля повинна в півтора, два рази бути меншою за радіус циліндра, що нагрівається, а інші, навпаки, вважали, що достатньо мати хвилю, рівну трьом чвертям від радіусу.

Мені доводилося чути суперечки: «Ваш критерій не точний, а ось така формула дає прекрасні [результати». Інші, навпаки, хвалили мою ухвалу. Хто ж має рацію? Та ніхто. Визначення "достатнього електричного к. п. д."-це не формула і не критерій, це швидше мнемонічне правило. Жодної особливої ​​точки на коліні не існує. Це правило тільки вказує "швидко" або "повільно" росте к. п. д. на даній ділянці кривої. А конкретні значенняцього к. п. д. треба одержувати повним розрахунком.

І в інших областях електротехніки доводиться стикатися з кривими, які не мають максимуму. Крива намагнічення стали йде спочатку круто, а потім переходить у пологу ділянку. Де тут точка насичення? При якому значенні індукції відбувається перегин у кривій? І тут не можна дати точної однозначної вказівки, а можна лише відзначити деяку область магнітних індукцій. Нижче немає насичення, вище воно є.

Лекція №4

Загальна характеристикаявища пробою.Види пробоїв. Причини виникнення пробоїв. Електрична міцність. Принципова схемаустановки для визначення електричної міцності діелектриків Пробій газоподібних діелектриків. Пробій газу в однорідному полі. Пробій газу в неоднорідному полі

Пробій рідких діелектриків. Теорія теплового пробою. Теорія електричного пробою. Спосіб визначення електричної міцності рідких діелектриків. Залежність електричної міцності від різних факторів. Заходи щодо підвищення електричної міцності рідких діелектриків в електроустановках.

Пробій твердих діелектриків. Електричний пробій. Електротепловий пробій. Іонізаційний пробій. Електрохімічний пробій. Електромеханічний пробій. Електротермомеханічний пробій. Вплив різних факторів на величину пробивної напруги та електричну міцність діелектриків.

Пробій діелектриків- це втрата діелектриком електроізоляційних властивостейпри напруженості поля, що перевищує деяке критичне значення. При пробої відбувається різке збільшення щільності струму та зниження опору, що призводить до короткого замикання. Виділяють пробою твердого однорідного (неоднорідного) діелектрика, пробою рідин та пробою газів. Напруга, при якій відбувається пробій діелектрика, називається пробивною напругою. Для газів пробивною напругою є його амплітудне значення

U пр = U ампл = √2U дійств

Для рідин і твердих діелектриків це діюча напруга

U пр = U дійств.

Напруженість поля, що відповідає пробивній напрузі, називається електричною міцністюдіелектрика:

E пр=, [кВ/м].

У місці пробою, залежно від напруги, що подається, може утворитися іскра, дуга, оплавлення, обгорання або розтріскування.

У пробитому твердому діелектрику в місці пробою можна виявити проплавлений, пропалений отвір - слід пробою. Якщо до такого зразка твердої ізоляції додати повторно напругу, то пробій відбудеться під напругою, меншою. U прпершого пробою, тобто U пр1 > U пр2. U пр1 = U пр2пр1> U пр2. У місці пробою в залежності напруги, що подається, може утворитися іскра, дуга, оплавлення, обгорання або розтріскування. Випробування діелектриків на електричний пробій і визначення електричної міцності виробляють на випробувальних стендах.

Розрізняють такі механізми пробою.

Електричний пробій. У процесі цього пробою діелектрик руйнується силами, що діють в електричному полі електричні зарядиатомів, молекул діелектрика. Протікає миттєво, викликається ударною іонізацією електронами. Якщо енергії електронів достатньо для іонізації, то електрони при зіткненні з атомами іонізують їх, внаслідок чого з'являються нові електрони, таким чином, число електронів лавинно наростає, що призводить до різкого збільшенняпровідності та електричного пробою.

Електротепловий пробою виникає в тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється діелектриком за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, яка може розсіюватися в даних умовах. Внаслідок цього порушується теплова рівновага. Явище теплового пробою зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температури, коли відбувається або обвугливание чи розплавлення матеріалу. Пробивна напруга при тепловому пробою залежить від частоти, температури довкілля, від умов охолодження, від нагрівальностійкості матеріалу та товщини діелектрика. При збільшенні товщини діелектрика напруга пробою знижується рахунок погіршення тепловідведення від середніх частин діелектрика.

Електрохімічний пробій.Електрохімічний пробій обумовлений повільними змінами хімічного складуструктури діелектрика Цей пробій розвивається при дії електричного поля в умовах високої температури та високої вологості. Спостерігається як за постійної, і при змінному напрузі. При високій частоті електрохімічний пробій відбувається в результаті іонізації газу, що супроводжується тепловим ефектом. При низькій частоті діелектрики відбувається незворотне зменшення опору ізоляції, що призводить до пробою. Для розвитку електрохімічного пробою потрібен час.

Іонізаційний пробій.Іонізаційний пробій розвивається внаслідок дії на діелектрик часткових розрядів. Полімерні діелектрики під дією цих розрядів окислюються, іони, що утворюються, бомбардують стінки пір ізоляції, що призводить до механічних руйнувань, що утворюються при цьому оксиди азоту і озон хімічно руйнують полімер, що і призводить до пробою. Для розвитку іонізаційного пробою потрібен час.

Електромеханічний пробій.Електромеханічний пробій характерний для полімерних діелектриків, що знаходяться у високоеластичному стані при високих температурах. Під дією електростатичного тяжіння, що виникає між електродами при високій напрузі, відбувається механічне здавлювання діелектрика, що веде до зменшення його товщини. При досягненні критичної деформації відбувається механічне руйнування та пробою діелектрика. Для розвитку електромеханічного пробою також потрібен час.

Електротермомеханічний пробій.Електротермомеханічний пробій є різновидом електричного та теплового пробою, спостерігається в крихких діелектриках, що містять пори. У процесі іонізації газових включень пір утворюються перегріті шари діелектрика, їх теплове розширеннябільше, ніж менш нагрітих шарів, в результаті в діелектриці утворюються механічні напруги, які призводять до мікротріщин та механічного руйнування діелектрика, далі до пробою. Для розвитку електротермомеханічного пробою потрібен час. У пробитому твердому діелектрику в місці пробою можна виявити проплавлений, пропалений отвір - слід пробою. Якщо до такого зразка твердої ізоляції додати повторно напругу, то пробій відбудеться під напругою, меншою. U прпершого пробою, тобто U пр1 > U пр2.При пробої газів пробитий проміжок миттєво відновлюється, тобто U пр1 = U пр2. При пробої твердих діелектриків U пр1> U пр2. У місці пробою в залежності напруги, що подається, може утворитися іскра, дуга, оплавлення, обгорання або розтріскування.

Випробування діелектриків на електричний пробій і визначення електричної міцності виробляють на випробувальних стендах (рис.1.23).

Установка складається з випробувального трансформатора (Т), призначеного підвищення напруги. Напруга на низьковольтному трансформаторі змінюється за допомогою автотрансформатора (АТ). Зразок 2 за допомогою електродів 1 і 3 підключений до високовольтної сторони трансформатора. Захисний резистор R служить для обмеження струму, що протікає при пробою по високовольтній обмотці трансформатора. Напруга пробою вимірюється вольтметром (V), струм контролюється за допомогою міліамперметра (mА). Так як напруга досить висока та небезпечна, то основна частина поміщена в захисний контур. Сигнальна лампочка вказує на увімкнення та вимкнення установки.

Для визначення міцності рідких діелектриків використовують спеціальні осередки (рис.1.24), виконані зі скла, порцеляни, або спеціальних пластмас, які не реагують із випробуваною рідиною. Електроди виконують із латуні. Для визначення електричної міцності рідкого діелектрика при постійній напрузі ланцюг високої напруги включають високовольтний діод і конденсатор для згладжування пульсації струму.