Электрическая прочность – это способность изоляции противостоять пробою. При нарушении электрической прочности происходит пробой диэлектрика, между обкладками конденсатора возникает короткое замыкание и конденсатор отказывает в работе. Электрическая прочность конденсатора зависит от толщины и качества диэлектрика, от площади обкладок, условий теплоотдачи и т.д.
Электрическая прочность характеризуется величиной пробивной напряженности, которая равна отношению пробивного напряжения к толщине диэлектрика h: [144]
Если напряженность поля в диэлектрике достигает значения равного , то происходит пробой диэлектрика конденсатора.
В газообразных диэлектриках пробой носит чисто электрический характер и может быть объяснен теорией ударной ионизации. Пробой газа происходит тогда, когда кинетическая энергия свободных ионов будет достаточной, чтобы ионизировать молекулы при соударении, то есть , образуется ионная лавина, проводимость газа растет. Энергия, приобретенная частицей на длине свободного пробега равна:
|
|
, [145]
где Е - электрическая прочность;
q – заряд частицы,
– длина свободного пробега.
Электрическая прочность газов зависит от давления (рис. 49). С увеличением давления газа величина уменьшается и электрическая прочность растет пропорционально росту давления так как при меньших требуется более высокая напряженность поля, чтобы накопить энергию, необходимую для ионизации. При переходе в область высокого вакуума, электрическая прочность газа резко возрастает. Это объясняется тем, что количество молекул в единице объема резко снижается и уменьшается вероятность столкновения ионов с молекулами.
Применяя повышенное давление можно повысить электрическую прочность газовой изоляции в 10 – 20 раз, еще более высокие значения пробивной напряженности можно получить, применяя вакуум. Особенностью газообразной изоляции является полная ее восстанавливаемость после пробоя.
Пробивная напряженность зависит от расстояния между электродами (рис. 50).
В случае твердых диэлектриков внутри его или у краев обкладок могут встретиться воздушные включения, которые разрушаются электрическим полем раньше, чем может произойти пробой твердого диэлектрика. Кроме того, возможен поверхностный разряд на границе раздела между воздухом и твердым диэлектриком по поверхности выводных изоляторов или по поверхности изоляционного корпуса.
В случае очень чистых жидких диэлектриков явление пробоя можно объяснить тоже с точки зрения ионизационной теории. Жидкий диэлектрик имеет большую плотность, чем газы, поэтому у них меньше и электрическая прочность значительно выше.
|
|
Для жидких диэлектриков технической очистки пробивная напряженность ниже, что связано с наличием пузырьков воздуха, влаги и механических примесей. Под действием поля они выстраиваются в цепочки от электрода к электроду по которым происходит пробой. С увеличением примесей пробивная напряженность уменьшается (рис. 51). Восстанавливаемость электрической прочности жидкости после пробоя хуже, чем газов, так как происходит загрязнение жидкости продуктами ее разложения, образующиеся в момент пробоя.
Для твердых диэлектриков различают: электрический пробой, ионизационный пробой, электротепловой пробой, электрохимический пробой.
С чисто электрическим пробоем конденсаторов с однородным диэлектриком можно встретиться в редких случаях, в основном при воздействии кратковременных единичных импульсов напряжения.
Для конденсаторов с воздушными включениями в порах диэлектрика или у краев обкладок характерен электрический пробой неоднородных диэлектриков, связанный с ионизацией.
При электротепловом пробое нарушается тепловое равновесие между теплом , выделяющимся в диэлектрике и теплом, отводимым от него в окружающую среду . Если , то происходит нагрев диэлектрика. При этом растет его проводимость, что способствует дальнейшему росту , что ведет к тепловому разрушению диэлектрика. Тепло выделяемое в диэлектрике можно рассчитать по формуле:
, [146]
где - приложенное напряжение;
- угловая частота;
- емкость конденсатора;
- тангенс угла диэлектрических потерь.
Тепло, отведенное в окружающую среду, описывается выражением:
[147]
где - коэффициент теплоотдачи с поверхности конденсатора в окружающую среду;
- поверхность с которой происходит теплоотдача;
- температура конденсатора;
- температура окружающей среды.
Зависимость от температуры определяется характером зависимости угла потерь от температуры (рис. 52)
– пробивное напряжение, которое выводит конденсатор из строя.
– испытательное напряжение которое конденсатор должен выдержать не пробиваясь в течении определенного промежутка времени (по ГОСТу). Воздействию подвергается каждый конденсатор.
– рабочее напряжение при котором конденсатор может надежно работать длительное время. указывается в маркировке конденсатора и его называют номинальным .
Отношение - характеризует запас электрической прочности при работе конденсатора, а отношение - запас электрической прочности при испытании конденсатора.
Для конденсаторов с органическим диэлектриком, заметно снижающим свою электрическую прочность с течением времени, применяют большие запасы электрической прочности и .
Для конденсаторов с газообразным и твердым неорганическим диэлектриком, в которых явление старения диэлектрика отсутствует или выражено слабее, значения , и сближаются. .
В конденсаторах с металлизированным диэлектриком в связи с их способностью к самовосстановлению при пробое значение лежит ближе к , чем у конденсаторов с обкладками из фольги. Для них .
Для электролитического конденсаторов испытания на пробой не применяют, так как оксидные слои в этих конденсаторах используются на пределе.