Фото и видео

Новости (архив)


Контакты

contact@forca.ru

Содержание материала

Термоупругий пробой (ТУП) вызывается термоупругими напряжениями в керамике и в других твердых диэлектриках вследствие неравномерного разогрева диэлектрика в поле высокой частоты.
Растрескивание может явиться следствием ионизации газа в крупных порах, приводящей к дополнительному тепловыделению, а в плотной керамике с незначительными порами раскалывание связано с тепловыделением в твердой фазе. Опасные градиенты температурного поля возникают как в однородных, так и в неоднородных электрических полях.
Наиболее полная и сбалансированная теория нарушения сплошности твердых диэлектриков в высокочастотных электрических полях нашла свое отражение в докторской диссертации Ю. М. Волокабинского.
В зависимости от характеристик диэлектрика, частоты электрического поля и условий охлаждения раскалывание может происходить из-за появления разрушающего перепада температур в условиях теплового равновесия или при прогрессивном нагреве диэлектрика после нарушения теплового равновесия.
Для высокочастотных изоляционных конструкций наибольший интерес представляет расчет ТУП для керамических и стеклянных (ситалловых) стержней, трубок и сфер. Для полимерных высокочастотных материалов ПЭ, ПП, Ф-4 и т. п. вследствие малых диэлектрических потерь и значений модуля Юнга возможность появления ТУП крайне незначительна.
Расчеты раскалывающего напряжения (или напряженности) и появления разрушающего перепада температур рассматриваются без учета краевых эффектов для электрических полей, близких к равномерным. Последнее оправдывается нецелесообразностью по механическим и экономическим соображениям разработки изоляционных конструкций с резко неравномерным электрическим полем. При одинаковых габаритах и частоте наиболее высокие напряжения выдерживают конструкции с равномерным электрическим полем.
Важность определения ТУП для керамики связана как с определением ее кратковременной прочности, так и с ее старением на высоких частотах под воздействием процессов рекристаллизации и роста микротрещин. Внутренние механические напряжения увеличиваются по мере роста частоты и напряженности электрического поля из-за вызываемого им в теле изолятора перепада температур.

 
Когда к изолятору приложена растягивающая сила F или в процессе изготовления, хранения и транспортировки в теле изолятора возникают значительные внутренние напряжения, обусловленные осевым напряжением σ0= F/(R2), условия напряжения раскалывания можно записать в виде

Силу, которая вызывает разрыв изолятора, находящегося в однородном электрическом поле Е, можно определить из выражения

Для диапазонов частот в десятки мегагерц, когда внутри стержневого изолятора условия охлаждения несоизмеримы с охлаждением внешних слоев, возникают чрезмерные перепады температур, приближающиеся к Δtρ. Более равномерные условия охлаждения внутренней и наружной поверхности возникают в трубчатых конструкциях, особенно с тонкими стенками. Применение трубок позволяет значительно сократить перепад температур и поднять значение частоты и напряжения высокочастотного изделия.
Рассмотрим предельные случаи, когда охлаждается только наружная поверхность изолятора или когда и внутренняя и внешняя. В последнем случае их температуры равны, а максимальная температура tmax будет внутри стенки изолятора на расстоянии rт от его оси.
Наиболее распространенными на практике являются опорные и натяжные трубчатые изоляторы, у которых внутреннее отверстие закрыто арматурой и охлаждение происходит только через наружную поверхность.
Напряженность электрического поля, при которой происходит раскалывание опорного и натяжного трубчатого изоляторов без учета внешней нагрузки, будет

где r0 — радиус внутреннего отверстия трубки.

Для расчета трубчатых изоляторов, охлаждаемых с внутренней и с наружной поверхностей, что возможно, например, для проходного изолятора, можно воспользоваться уравнением

На основании приведенных уравнений рассчитаны и построены графоаналитические характеристики для трубчатых опорных и натяжных стеатитовых изоляторов, работающих в диапазоне, соответствующем мегагерцам (рис. 5.7).
Из рисунка следует, что с уменьшением толщины стенок стеатитовых трубок и соответственно со снижением разницы температуры между наружной и внутренней поверхностью трубок повышается раскалывающая напряженность или, что то же самое, при уменьшении толщины стенок можно повышать частоту.
Керамические стеатитовые изоляторы в форме сферы находят применение в качестве поворотных для высоковольтных высокочастотных вариометров контурных устройств. Такая форма способствует уменьшению высоты изоляторов и самого вариометра, а также обеспечивает необходимую механическую прочность при повороте массивного ротора.

Рис. 5.7. Зависимости напряженности электрического поля раскалывания стеатитовых трубок от частоты при толщине стенок трубок диаметром 25 мм, равной 2 мм (кривая 1), 5 мм (кривая 2) и 10 мм — кривая 3
Вследствие того что внутренние части шара более нагреты, чем наружные, в шаре возникают сжимающие радиальные ТУН. Этот процесс характерен также при изготовлении шаровых изоляторов. Из-за большого перепада температур внутри и снаружи шара при недостаточно медленном остывании возникают не только микротрещины, но и большие разломы.
Перепад температур в центре шара и на его поверхности, приводящий к раскалыванию, определяется уравнением

где G — модуль сдвига.

Напряженность электрического поля при эксплуатации без учета внешних и технологических внутренних напряжений определяется для равномерного электрического поля уравнением

где ε и tgδ — значения при средней температуре, a G — модуль сдвига.

где t — температура на поверхности шара.
Для выбора предпочтительной формы изолятора при одинаковом удельном тепловыделении, когда диаметр сферы равен диаметру стержня и толщине пластины, ТУН на поверхностях пластины, стержня и шара относятся как 40: 15: 8, а разрушающие перепады температур в пластине, стержне и шаре относятся как 3:4:5. Таким образом, наилучшие условия эксплуатации создаются в изоляторах в форме пластины и стержня, а наихудшие, естественно, — в форме шара.
Все уравнения выведены с указанными ранее допущениями и не учитывают такие особенности реальных изоляционных конструкций, как возможные изменения геометрии в виде полостей, ребер, разнотолщинностью, наличия металлической арматуры или конструктивных армирующих деталей, и т. п. Все это необходимо принимать во внимание при расчетах в процессе проектирования изоляционных конструкций.
Обычно такие характеристики определяются экспериментальным путем и в дальнейшем учитываются поправочными коэффициентами, которые вводятся в приведенные уравнения.
Другим существенным условием эксплуатации высокочастотных конструкций является нагрев в поле высокой частоты металлических элементов и деталей, монолитно связанных с телом изолятора. Нередко температурная доля такого нагрева оказывается настолько существенной, что приводит к локальным разрушениям изолятора, особенно по границе диэлектрика с этими деталями.
При работе изоляционной конструкции в высокочастотном поле, одновременно с диэлектрическими потерями в теле изолятора, в металлической арматуре возникают джоулевые потери, обусловленные емкостным током, сопротивление которому возрастает за счет эффекта вытеснения, а потери — за счет вихревых токов.
Глубину проникновения тока в металл при поверхностном эффекте можно определить по формуле

где р — удельное сопротивление металла; μπ — магнитная проницаемость; f — частота.
Распределение плотности тока может быть представлено в виде уравнения


где Η — напряженность магнитного поля; δ — глубина его проникновения.
Это уравнение применимо лишь в том случае, если поверхность, по которой идет ток, будет плоской или иметь кривизну весьма большого радиуса. При соотношении δ=0,25rо уравнение для плотности тока будет иметь вид

где х = r0 — r— расстояние от оси, до которой проникает ток·
При относительно малых радиусах и δ= 0,25го уравнение примет вид

Из приведенных уравнений следует, что при относительно больших частотах, а значит, малых глубинах проникновения, ιοκ сосредоточивается вблизи поверхности и сравнительно мало зависит от радиуса кривизны. При относительно низких частотах зависимость плотности от кривизны весьма велика, так как ток спадает линейно с уменьшением радиуса кривизны.
Потери, вызываемые в металлической арматуре вихревыми токами, определяются уравнением

где g — удельная проводимость; кф— коэффициент формы; Вт — индукция; δ — толщина проводящей среды или глубина проникновения тока; f—частота; V — объем проводящей среды.
Проведенными экспериментами было подтверждено, что основная доля в нагревание арматуры вносится вихревыми токами в ее толще.
Для уменьшения влияния эффекта вихревых токов могут быть предложены следующие способы изготовления арматуры:
сваркой тонкостенной конструкции из двух половинок немагнитного материала;
штамповкой из изолированного друг от друга тонколистового немагнитного материала с высокой проводимостью;
прессованием из высокочастотного полимерного материала с последующим серебрением на толщину электромагнитной проницаемости для данной частоты;
прессованием из высокочастотных ферритов с малыми потерями на вихревые токи.
Наиболее часто употребляемые и простые в технологическом отношении способы связаны с применением материалов, обладающих высокой проводимостью, или серебрением поверхности арматуры.