Величина тангенса угла потерь силовых бумажных конденсаторов обычно находится в пределах 0,0015-i 0,004, или 0,15-0,4%. Например, у конденсатора с pe-i активной мощностью Q=100 квар при tg6 = 0,2% активные потери в виде тепла

p=QtgS=i = 0,2 кВт, или 200 Вт.

§ 9. Общие сведения о пробое диэлектриков. Электрическая прочность конденсатора

Электрическая прочность является одной из основных характеристик изоляционных материалов, с помощью которой оценивается способность диэлектрика выдер живать без пробоя воздействие электрического поля.

Количественно электрическая прочность представля ет собой напряженность электрического поля при пробое и определяется как отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика

Если напряжение выражать в вольтах, а толщину диэлектрика в микронах, то единицей напряженност электрического поля будет вольт на микрон (В/мкм).

Для твердых диэлектриков различают два вида пробоя: тепловой и электрический.

Тепловой пробой твердого диэлектрика заключается в его термическом разрушении вследствие нагревания, вызываемого диэлектрическими потерями, и происходит при нарушении в диэлектрике теплового равновесия, т. е. когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике под действием приложенного напряжения, превышает количество тепла, отводимого от диэлектрика во внешнюю среду. Поэтому очень большое значение имеют условия охлаждения диэлектрика. При тепловом пробое пробивная напряженность является характеристикой не столько диэлектрика, сколько изготовленного из него изделия (например, конденсатора).

Электрический пробой твердого диэлектрика заключается в разрушении структуры вещества под действием сил электрического поля н возникает в результа-те развития ударной ионизации электронами и увеличения количества свободных электронов (появления

добавочной электронной проводимости) при достаточно высокой напряженности электрического поля.

Электрический пробой обычно наблюдается в ди-элекгриках, обладающих высокими значениями удельного объемного сопротивления и низкими значениями тангенса угла потерь, когда тепло от диэлектрических потерь не оказывает заметного влияния на электрические процессы в диэлектрике.

Для развития и окончания электрического пробоя требуется небольшой промежуток времени, порядка 10-*-10- с. Поэтому температура окружающей среды при электрическом пробое не оказывает заметного влияния на электрическую прочность.

Действительную электрическую прочность диэлектрика можно узнать только при пробое его в однородном электрическом поле. На практике для определения электрической прочности выбирают соответствующую форму электродов (диски с закругленными краями) и образцов. В обычных условиях неоднородного поля средняя электрическая прочность заметно снижается из-за краевого эффекта (повышенной напряженности поля у краев электродов).

Пробой газообразных диэлектриков рассматривают как следствие развития ударной ионизации при высоких значениях напряженности электрического поля. Пробой газа происходит тогда, когда кинетическая энергия свободных электронов, движущихся в газе под воздействием электрического поля, делается достаточной для того, чтобы при ударах о встречные молекулы вызвать ионизацию последних и создать новые электроны и положительные ионы, которые затем также участвуют в ионизации. В результате лавинного процесса образования свободных зарядов резко возрастает сила тока и наступает пробой газа.

Электрическая прочность газов в условиях нормального давления относительно невелика. Для воздуха в однородном электрическом поле при расстоянии между электродами 1 мм £пр~2-ьЗ В/мкм. С повышением давления электрическая прочность газов возрастает.

На электрическую прочность жидких диэлектриков сильно влияют влага, газы, механические и химические примеси. Примеси значительно осложняют механизм пробоя жидких диэлектриков. Существует механизм пробоя жидких диэлектриков.

Существует несколько теорий, по которым пробой

связывают с перегревом жидкости и разрушением ее молекул.

Электрическая прочность газообразных и жидких диэлектриков, так же как и твердых, в неоднородном электрическом поле сильно снижается.

Электрическая прочность конденсаторов зависит прежде всего от качества диэлектрика, а также от конструктивных особенностей конденсатора: площади обкладок, толщины диэлектрика, условий теплоотдачи и т. д.

В реальных конденсаторах электрическая прочность в значительной мере снижается не только из-за дефектов в технических диэлектриках, но и вследствие большой неравномерности электрического поля у краев обкладок и внутри диэлектрика. Пробой диэлектрика обычно приводит к выходу конденсатора из строя и серьезному нарушению работы установки, в которой он используется. Поэтому вопросам электрической прочности конденсаторов уделяется серьезное внимание.

Для оценки электрической прочности применяют пробивное, испытательное и рабочее напряжения.

Пробивное напряжение - это напряжение, при котором происходит пробой конденсатора во время постепенного кратковременного (в течение нескольких секунд) повышения напряжения. Величина пробивного напряжения для одного и того же типа конденсаторов, изготовленных в одних и тех же условиях, обычно колеблется в некоторых пределах. Поэтому для характеристики качества конденсаторов за величину пробивного напряжения принимают среднее арифметическое значение, полученное при пробое нескольких конденсаторов.

Испытательное напряжение - это напряжение, которое конденсатор должен выдерживать без пробоя в течение определенного времени (до 1 мин). Величина испытательного напряжения устанавливается меньше среднего пробивного напряжения, определяемого опытным путем. Испытательным напряжением проверяют каждый изготовленный конденсатор, что позволяет отбраковать конденсаторы с заведомо низкой элек трической прочностью, обусловленной случайными дефектами применяемых материалов и дефектами технологии производства.

Рабочее напряжение (номинальное) - это на-ц пряжение, при котором конденсатор может надежно

работать длительный промежуток времени. Номинальное напряжение обычно в несколько раз меньше пробивного напряжения и меньше испытательного.

Электрическая прочность конденсаторов в условиях эксплуатации не остается постоянной и с течением времени снижается в результате так называемого процесса старения диэлектрика.

Старение заключается в том, что под воздействием электрического поля в диэлектрике конденсатора возникают физико-химические процессы, постепенно разрушающие диэлектрик и снижающие его электрическую прочность. Ухудшение свойств диэлектрика приводит к тепловому или электрическому пробою.

При эксплуатации конденсатора ухудшение свойств диэлектрика не может быть выяснено кратковременным испытанием его повышенным напряжением. Поэтому кратковременные испытания повышенным напряжением не позволяют уверенно судить о надежной работе конденсаторов в эксплуатации.

Физико-химические процессы старения при переменном напряжении вызываются преимущественно частичными разрядами, а при постоянном напряжении-электрохимическими процессами.

Частичные разряды связаны с наличием в диэлектрике конденсатора воздушных (газовых) включений. Если напряжение на воздушных включениях в диэлектрике оказывается выше их пробивного напряжения, в воздушных включениях возникают разряды, в основе которых лежат процессы ионизации нейтральных молекул. В результате происходит разрушение диэлектрика под воздействием: продуктов ионизации воздуха - озона и окислов азота, которые являются сильными окислителями и разрушают диэлектрик химически; непосредственной бомбардировки электронами и ионами, возникающими при частичных разрядах, и высоких местных температур, обусловленных потерями в местах разрядов

Различают две стадии частичных разрядов; началь-Щю. при которой частичные разряды в течение длительного времени не приводят к существенному разрушению диэлектрика, и критическую, при которой частичные раз-Ряды имеют значительную интенсивность и способны в короткое время разрушить диэлектрик.

Электрохимические процессы связаны с переносом ионов в диэлектрике, образующих ток утечки.

Металлические ионы, разряжаясь у обкладок, создают; проводящие мостики, которые прорастают в глубь ди- электрика и приводят к уменьшению его толщины, а следовательно, и к снижению электрической прочности. Неметаллические ионы, разряжаясь у обкладок, могуТ; образовывать химически активные вещества, разрушающие диэлектрик и снижающие его электрическую прочность. Указанные электрохимические процессы особенно резко проявляются при повышенных температурах.

При постоянном напряжении наряду с электрохимическими процессами старения диэлектрика могут возникать и частичные разряды, особенно в случае повышенной напряженности электрического поля.

§ 10. Удельные и тепловые характеристики

Под удельными характеристиками понимают отношение величины одной из электрических характеристик конденсатора к его объему или массе. Удельными характеристиками являются также и обратные величины, т. е. отношение объема или массы конденсатора к величине одной из его электрических характеристик.

Удельные характеристики дают сравнительное представление об объеме, массе и стоимости, т. е. оценивают качество конденсаторов. Поэтому наряду с электрическими удельные характеристики позволяют судить о целесообразности применения конденсаторов в той или иной области техники.

Удельной характеристикой конденсаторов с низким рабочим напряжением постоянного тока является удельная емкость (Ф/м), представляющая собой отношение емкости конденсатора к его объему Суд=С/У, где С -емкость, Ф; V -объем, м.

Удельной характеристикой конденсаторов с высоким рабочим напряжением постоянного тока является удельная энергия (Дж/м и Дж/кг), представляющая собой отношение запасенной в конденсаторе энергии к его объему или массе, Wy=W/V и Wyp=W/G, где W -энергия, Дж; V -объем, м; (3 -масса, кг.

В силовых конденсаторах удельная энергия достигает 90 • 103 Дж/мз и 10 Дж/кг.

Удельной характеристикой конденсаторов переменпо-го тока является удельная реактивная мощность (квар/мз или квар/кг), представляющая собой

отношение реактивной мощности конденсатора к его объему или массе, QyJ = Q/V или Qy = Q/G, где Q - реактивная мощность, квар; У -объем, м; G -масса, кг.

Удельная реактивная мощность силовых бумажно-пленочных конденсаторов, применяемых для улучшения коэффициента мощности, достигает 5,2-5,6Х 10 квар/м и 3,4 квар/кг.

В общем случае удельные характеристики конденсатора зависят от предполагаемого срока службы, условий эксплуатации, качества применяемых материалов, уровня технологии производства и т. д.

Для конденсаторов, работающих на переменном напряжении, характерны потери энергии и связанный с ними нагрев диэлектрика. Поэтому для качественной оценки конденсаторов переменного тока наряду с удельной реактивной мощностью служат тепловые характеристики.

Под тепловыми характеристиками конденсаторов понимают зависимость температуры нагрева диэлектрика от мощности потерь в конденсаторе.

Тепловые характеристики позволяют устанавливать допустимую перегрузку конденсаторов по мощности при различных температурах окружающей среды и, наоборот, при заданной мощности конденсатора определять допустимую температуру окружающей среды.

Предельная рабочая температура диэлектрика ограничивается его нагревостойкостью, т.е. способностью диэлектрика выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшения эксплуатационной надежности конденсатора. В связи с этим возможность повышения мощности конденсатора или температуры окружающей среды зависит от величины допустимого перегрева диэлектрика конденсатора.

Под перегревом понимают разность между наивысшей температурой диэлектрика конденсатора и температурой охлаждающего воздуха. Чем меньше этот перегрев, тем большая мощность может быть в конденсаторе или более высокая температура окружающей среды. Поэтому для улучшения тепловых характеристик при конструировании конденсаторов переменного тока уделяют особое внимание эффективному отводу тепла <ак увеличением охлаждающей поверхности, так и устройством искусственного охлаждения.