КРАТКОВРЕМЕННАЯ И ДЛИТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
- Эпоксидные компаунды.
Электрическая прочность компаунда в соответствии с условиями эксплуатации определяется в зависимости от частоты, формы кривой приложенного напряжения и его полярности, формы электрического поля, температуры окружающей среды, толщины диэлектрика и его объема.
Помимо рецептуры на электрическую прочность влияет наличие в отвержденном компаунде микро- и макроскопических неоднородностей в виде скоплений частиц наполнителя (агломератов), газовых пор, трещин, отслоений и т. п. Вероятность увеличения количества и размеров неоднородностей возрастает с увеличением толщины и объема компаунда (масштабный фактор). Неоднородности являются основной причиной разброса значений электрической прочности и ее зависимости от толщины диэлектрика. Наличие неоднородностей приводит к необходимости статистического подхода при экспериментальном определении электрической прочности.
Рис. 2.4. Зависимость кратковременной электрической прочности от толщины компаунда на основе смолы Э-2000 с разными марками материала электродов (f=50 Гц, f=20° С)
- — металлизация поверхности;
- — залитый латунный электрод
В работе [8] показано влияние объема компаунда на электрическую прочность. В другой работе экспериментальным путем найдено, что до объема (2.. .3) · 10~6 м3 прочность с увеличением объема уменьшается быстро. При дальнейшем увеличении объема эта зависимость снижается. Это заставляет предполагать, что в небольших образцах, на которых производился эксперимент, помимо масштабного фактора, на электрическую прочность сказывают влияние механические (термоупругие) напряжения, вызванные залитыми в компаунд металлическими электродами.
Наличие металлических электродов может привести к образованию отслоений компаунда или к возникновению микро- и макротрещин в изоляции, которые затем будут способствовать появлению и развитию канала пробоя.
В рассмотренных случаях сказывается влияние термоупругих напряжений, связанных с возникновением деформаций в компаунде из-за разности ТКЛР материала электрода и литой изоляции. Кривые на рис. 2.4 иллюстрируют зависимость электрической прочности от марки материала электрода. Применение залитых в образец электродов из латуни по сравнению с электродами, выполненными металлизацией на образце, значительно увеличивает зависимость электрической прочности от толщины диэлектрика.
Средние значения электрической прочности компаунда марки ЭЗК-31 в зависимости от его толщины и температуры приведены в табл. 2.2. Испытания производились в резко неоднородном поле между электродами игла - плоскость. Средние арифметические значения пробивных напряжений U определялись с учетом доверительных интервалов для надежности 0,99 и среднего квадратического отклонения as от среднего значения ЕСр с погрешностью ξп.
Рис. 2.5. Зависимость кратковременной электрической прочности компаунда от температуры при различном содержании ПКП
/ — 200 %; 2—100%; 3 — 50%; 4 — без наполнителя
Рис. 2.6. Зависимость напряжения пробоя от температуры между электродами игла — плоскость на расстоянии 0,5 мм для компаунда марки ЭПК без пластификатора (кривая У) и ЭПК-4 с пластификатором (кривая 2)
Таблица 2.2
Из таблицы следует, что отклонения значения £српр для каждой толщины при температурах 20 и 125° С лежат в пределах погрешности измерения, что свидетельствует об электрическом характере пробоя.
Для электрического поля, близкого к равномерному (электроды плоскость — плоскость), сохраняется такой же характер зависимости кратковременной электрической прочности от температуры. Заметное снижение электрической прочности начинается около 125° С (рис. 2.5). Из кривых также следует, что увеличение теплопроводности посредством роста процентного содержания наполнителя приводит к смещению области теплового пробоя в сторону более высокой температуры и к повышению электрической прочности.
Введение в компаунд пластифицирующих добавок способствует снижению электрической прочности при увеличении температуры (рис. 2.6).
В работе [9] показана зависимость/ электрической прочности эпоксидной изоляции от радиуса кривизны электродов для полей с коэффициентами неравномерности kH < 3,5 ... 4. Коэффициент kH определяется как отношение максимальной напряженности поля Етах к ее среднему значению, К — Етях/Еср.
В резко неравномерном электрическом поле при коэффициенте неравномерности, большем четырех, электрическая прочность не зависит от формы электродов.
Электрическая прочность при длительном воздействии напряжения.
При длительном воздействии напряжения механизм пробоя компаунда зависит от накопления механических и электрических микро- и макроразрушений изоляции и от их развития; под действием частичных разрядов.
Ионизационные процессы (частичный разряд) могут возникать в порах, отслоениях, трещинах и т. п. при весьма низких значениях напряжений.
Для поддержания ионизационных процессов требуется напряженность электрического поля, значительно меньшая, чем для возникновения этих процессов.
Большинство авторов считают, что для надежной эксплуатации изделий в течение не менее 10 тыс. ч интенсивность частичных разрядов должна быть не хуже 10~10... 10-11 Кл [4], а появление частичных разрядов при такой чувствительности должно происходить при напряжении, превышающем на 20% рабочее.
Процесс разрушения материала начинается в локальной области максимальной напряженности электрического поля, т. е. около электродов с малыми радиусами кривизны или около включений, содержащихся в компаунде и искажающих электрическое поле. Такими неоднородностями могут, например, явиться поры, скопления ПКП и т. п.
При небольших градиентах напряженности электрического поля на скорость старения влияет размер радиусов кривизны электродов. При больших градиентах поле у. электрода искажается объемным зарядом. В этом случае коэффициент неоднородности электрического поля, зависящий от радиусов кривизны электрода, существенно не отражается на скорости прорастания канала пробоя.
Срок службы жестких компаундов при увеличении температуры несколько возрастает [10]. Это объясняется положительным влиянием снижения внутренних механических напряжений в вязкоэластичном состоянии компаунда на процессы электрического разрушения.
Подтверждением влияния термоупругих напряжений на процессы электрического пробоя могут служить результаты исследований зависимости электрической прочности образцов из компаунда марки ЭПК-1 (ЭД6 + МА) от механической нагрузки.
Рис. 2.7. Зависимость электрической прочности компаунда марки ЭПК-1 для электродов игла—плоскость от толщины (а) без механической нагрузки (кривая 1) и с нагрузкой σ=0,75σ, (кривая 2) и срока службы компаунда от механической нагрузки (б)
Из кривых, приведенных на рис. 2.7, видно, что под действием больших растягивающих усилий σ = 0,75σΒ образец, находящийся в равномерном электрическом поле, имеет электрическую прочность, «а 20 ... 25% меньшую, чем такие же образцы, подвергавшиеся только электрической нагрузке.
На рис. 2.7, б показано, как снижается срок службы образцов в зависимости от увеличения механической нагрузки.
Исследование компаунда ЭЗК-31 показали влияние повышенной рабочей температуры на ход кривых жизни при сроке службы до 1000 ч (рис. 2.8). При дальнейшем увеличении продолжительности эксплуатации влияние температурного фактора на электрическую прочность уменьшается и при напряженностях ниже 3,3 МВ/м становится несущественным.
Сравнение кривых жизни жесткого компаунда марки ЭЗК-1 и модифицированного марки ЭЗК-31 при рабочих температурах 100--125°С (рис. 2.9) свидетельствует о преимуществах первого при времени эксплуатации, меньшем, чем 10 тыс. ч. Толщина компаунда на ход кривых жизни заметного влияния не оказывает.
Рис. 2.8. Зависимость электрической прочности компаунда марки ЭЗК-31 от продолжительности приложенного напряжения между электродами игла — плоскость при температуре 125°С и расстоянии между электродами 2 мм (кривая 1) и 3 мм (кривая 3), а 3 мм и t=20°C — кривая 2
Риc. 2.9. Зависимость электрической прочности от продолжительности приложенного напряжения при t = 120° С 1— ЭЗК-1; 2 —ЭЗК-31
Для приближенных расчетов изоляции при температуре 125° С в резко неоднородном электрическом поле электрическую прочность независимо от толщины принимают для компаундов марки ЭЗК-1 Еср = 2,5 МВ/м, а для ЭЗК-31—Еср= 2,2... 2,4 МВ/м.
В равномерном электрическом поле при температуре до 125° С длительная электрическая прочность для компаунда марки ЭЗК-31 равна 6 ... 7 МВ/м.
Влияние на срок службы перенапряжений, возникающих в изделиях, может быть учтено кривой на рис. 2.10, а. Кривая иллюстрирует зависимость амплитуды перенапряжений от числа импульсов п, приложенных до момента пробоя к образцам из компаунда марки ЭЗК-31 толщиной 3 мм о электродами игла — плоскость. Ход кривой свидетельствует о влиянии количества импульсов на электрическую прочность. На рис. 2.10,б показана зависимость срока службы от кратности перенапряжений.
Рис. 2.10. Зависимость суммарной амплитуды воздействующего напряжения для компаунда марки ЭЗК-31 между электродами игла—плоскость (1—3 мм) от количества поданных импульсов (a) и коэффициента перенапряжений от срока службы (б)
1— Е— 6,7 МВ/м; 2 — Е= 2 МВ/м; 3 — Е = 1,2 МВ/м
Значение перенапряжений принималось равным: UΣ= 2U∞= 56,5 кВ; UΣ= 42,4U∞ кВ и Us =1,2U∞=34,0 кВ. Из рисунка следует, что при систематических перенапряжениях с кратностью 1,2 для срока службы 10 тыс. ч электрическая прочность составляет Е СО =1,2 МВ/м.
Для равномерного электрического поля (электроды плоскость— плоскость) электрическая прочность для тех же условий эксплуатации принимается равной 3,6 МВ/м.
Влияние вида напряжения. Влияние на электрическую прочность вида напряжения связано с такими факторами, как амплитуда, скорость нарастания и спада напряжения, длительность его воздействия.
В наименьшей степени эти факторы проявляются при постоянном напряжении, в наибольшей — при импульсном.
В работе [11] показано, что кратковременная электрическая прочность на постоянном напряжении зависит от формы электрического поля, полярности, температуры и в меньшей степени — от толщины образца.
При нагревании образца до температуры перехода компаунда в высокоэластическое состояние (70... 100° С) происходит некоторое увеличение электрической прочности, а затем значительное ее снижение.
Исследования влияния степени неравномерности электрического поля на сроки службы τ проводились на образцах эпоксидных компаундов в системе электродов игла — плоскость. Расстояние между электродами I устанавливали равным 3 мм. Изменение степени неоднородности производилось изменением радиуса закругления кончика иглы от 2 до 1000 мкм.
Для исследования сроков службы в поле, близком к равномерному, испытывались образцы с электродами плоскость — плоскость (l = 1,5 мм).
Дли получения зависимости τ = f(k) при каждом из значений k испытывалось по 10... 160 образцов. Полученные значения, как показано в работе [10], подчиняются экспоненциальному распределению F(τ) с нижним пределом распределения τ0:
где Na — число образцов, установленных на испытание; Nt — число образцов, оставшихся неповрежденными к моменту времени tв; τ0 — время, при котором и ниже которого пробоев образцов не наблюдается.
Зависимость времени τ0 при напряжении 20 кВ промышленной частоты от коэффициента неравномерности электрического поля приведена ниже: 
Из таблицы следует, что наименьшие сроки службы слабо зависят от степени неравномерности до значения 3.
И только в диапазоне 1... 2 происходит резкое возрастание сроков службы.
Допустимая величина , была уточнена на основании опытов по исследованию зависимости времени до зарождения дендрита от максимальной кажущейся напряженности Еmах. Установлено, что при Emаx =10 МВ/м дендрит не зарождается: этот вывод получен по результатам испытаний 100 образцов в течение 1,5 тыс. ч.
Таким образом, в электроизоляционной конструкции рекомендуется подбирать такую степень неоднородности электрического поля, чтобы величина E.max не превышала 10 МВ/м.
При длительном приложении постоянного напряжения компаунд не подвергался электрическому старению до значений напряженностей, близких к пробивным, когда начинается образование дендритов. Причем времени до пробоя на постоянном напряжении проходит на 2... 3 порядка больше, чем при старении на переменном.
Отношение напряжения пробоя компаунда марки ЭЗК-31 на постоянном токе к пробою на переменном снижается от 1,6 при толщине диэлектрика 2 мм до 1,25 — при 6 мм. Эти изменения объясняются образованием объемного заряда в области резко неоднородного поля.
Наложение на постоянное напряжение пульсирующей составляющей снижает электрическую прочность и срок службы компаунда обратно пропорционально амплитуде пульсации.
При длительных испытаниях образцов с электродами игла — плоскость и макетов катушек трансформаторов было установлено, что электрическая прочность эпоксидной изоляции в резко неравномерном поле почти не зависит от частоты до 1000 Гц и от температуры до 80...90°С (при частоте до 500 Гц). Это позволяет утверждать, что в указанных частотных и температурных диапазонах происходит электрический пробой. Выбор изоляционных расстояний для конструкций с коэффициентом неравномерности электрического поля 4 на повышенных температурах до 80... 90° О может приближенно производиться по результатам старения при температуре 20° С.
В области теплового пробоя для таких полей срок службы обратно пропорционален частоте и зависит от температуры изоляции. Введение наполнителя в виде ПКП улучшает условия теплопередачи и способствует повышению электрической прочности как при повышенной частоте, так и при импульсном напряжении.
При импульсном напряжении развитие канала пробоя происходит интенсивнее, чем при переменном, и зависит от полярности. В резко неравномерном поле эффект полярности на 20% больше, чем в равномерном. Это связано, по-видимому, с тем, что разрушение диэлектрика при старении происходит под действием электронных лавин, локализованных в приэлектродной области, когда процесс не охватывает весь промежуток. Косвенным подтверждением такого механизма пробоя может служить возрастание импульсной прочности с уменьшением длительности импульса.
Рис. 2.11. Зависимость коэффициента импульса kK от расстояния между электродами игла—плоскость
При уменьшении длительности импульса в 100 раз (от 10-5 до 10-7 с) пробивное напряжение компаунда увеличивается в 3.. .3,5 раза.
С увеличением числа воздействующих импульсов до 106 электрическая прочность в резко неравномерном поле снижается на 40% по сравнению с кратковременной прочностью, а в слабо неравномерном поле — на 30%.
Срок службы изоляции для импульсного напряжения при форме импульса 300/1500 мкс может быть выбран по кривой жизни для переменного напряжения. В этом случае амплитудные значения переменного и импульсного напряжений должны быть равны, а число полупериодов переменного напряжения — равно числу импульсов апериодического импульсного напряжения.
На рис. 2.11 приведена зависимость коэффициента импульса k, от расстояния между электродами игла — плоскость образцов из компаунда марки ЭЗК-31. Коэффициент импульса определяется как отношение напряжения пробоя при импульсе к напряжению пробоя при плавном подъеме напряжения промышленной частоты: kи =Uи/U. Из кривой следует, что коэффициент импульса растет с увеличением толщины диэлектрика.
Пользуясь данной кривой, можно по значениям электрической прочности компаунда при частоте 50 Гц выбрать толщину изоляционного промежутка для импульсного напряжения с фронтом волны τф=120 мкс, декрементом колебаний Δ= 0,2 и частотой 300 Гц.
Введение наполнителя ПКП увеличивает электрическую прочность на 15... 20%.
Л. Д. Бобровской установлено, что средний срок службы для образцов игла — плоскость толщиной 3 мм слабо зависит от частоты до 35 кГц и подчиняется эмпирической закономерности τср = Аf0,12. Причем при f = 35 кГц средний срок службы в два раза меньше, чем при промышленной частоте. Такое ускорение, в частности, неприемлемо для практического использования при определении срока службы. Было также найдено, что увеличение частоты не приводит к образованию дендритов, но влияет на ускорение его развития.
Переходы от электрического дендрита к тепловому, что наиболее характерно при f = 15 кГц, наблюдались при средней напряженности электрического поля 3,3 МВ/м.
При частоте 35 кГц рост теплового канала начинается без предварительного образования электрического дендрита.
Приведенные данные свидетельствуют о возможности эксплуатации эпоксидной изоляции при напряженностях электрического поля 1,5... 2 МВ/м при частоте менее 35 кГц.
