Виды электрического пробоя диэлектриков

Основные характеристики газов как диэлектриков – это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность [7,24].

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидко­стей и твёрдых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних ус­ловий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных га­зов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия: давление 1 атм.; температура 20 °С; электроды, создающие однородное поле площадью 1 см²; межэлектродный зазор 1 см. Воздух при нормальных условиях имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха, составляет для неко­торых газов, используемых в технике: водород к = 0,5, гелий к = 0,2, элегаз   к = 2,9, фреон 12 к = 2,4, перфторированные углеводородные газы к = (4… 10).

Теплопроводность газов λ также невелика по сравнению с теплопровод­ностью твёрдых тел и жидкостей, наибольшее её значение λ = 0,2 Вт/(м×К) – у водорода. Для наиболее популярных газов     λ = 0,03 Вт/(м×К) – воздух, λ= 0,012 Вт/(м×К)  – элегаз. Для сравнения, у алюминия  λ = 200 Вт/(м×К).

Более подробно вопросы поведения газов в слабых и сильных электрических полях изложены ниже в п. 4.7 - 4.11[1,5].

Основные экспериментальные закономерности пробоя жидких диэлектриков. Электрическая прочность хорошо очищенных жидких ди­электриков значительно превышает прочность газов и приближается к прочности твёрдых диэлектриков. Для ряда жид­костей величина электрической прочности имеет порядок 100 кВ/мм, однако сильно зависит от степени загрязнения. Например, прочность минерального масла в однородном поле может изменяться от 3 до 50 кВ/мм. Из примесей наи­более сильно влияют на электрическую прочность полярные вещества, например, влага, особенно в присутствии волокон целлюлозы.

Пробивная напряжённость жидкости растёт с увеличе­нием плотности. При этом электрическая прочность жидко­стей, молекулы которых построены из разветвлённых цепо­чек (изомеры), меньше прочности жидкостей, молекулы ко­торых имеют форму прямых цепочек. Электрическая проч­ность жидкостей из группы ароматических углеводородов, как правило, больше, чем из группы насыщенных углеводо­родов. Наличие молекулярно–растворённого кислорода при­водит к увеличению пробивного напряжения. Это объясня­ется интенсивным захватыванием электронов атомами кисло­рода с образованием малоподвижных отрицательных ионов. Уменьшение количества свободных электронов препятствует развитию пробоя. Содержание растворённого азота, водо­рода или углекислого газа не сказывается на изменение электрической прочности.

Существенное снижение пробивного напряжения может быть вызвано наличием у электродов ионизированных пу­зырьков газа. Появление неионизированных пузырьков с диа­метром ~10 мкм не влияет на электрическую прочность.

Механизм развития пробоя в жидком диэлектрике качест­венно отличается от механизма развития пробоя в воздухе. В конечной стадии пробой жидкости происходит в большин­стве случаев по газовому каналу. Газовый канал может быть образован в результате испарения жидкости при интенсив­ном местном нагреве (например, токами проводимости в мес­тах концентрации загрязнений) или вследствие расщепления молекул жидкости с выделением газообразных продуктов под воздействием заряженных частиц (главным образом, электронов) с достаточно большими энергиями. Например, в минеральном масле в сильном электрическом поле электроны способны приобрести энергию ~3 эВ, достаточную для раз­ложения молекулы углеводорода с отщеплением атома водорода

    .                   (4.49)

Сильное влияние на процесс пробоя оказывают влага, а также примеси (твёрдые частицы, волокна).

Влага в жидком диэлектрике может находиться в молекулярно - растворённом состоянии и в виде эмульсии. Раство­римость воды в жидких диэлектриках зависит от темпера­туры. Так, например, в минеральном масле при 20 °С может раствориться 40·10^-6 воды по объёму, а при 80 °С – 400·10^-6.

Наличие влаги как в первом, так и во втором состоянии сказывается на электрической прочности (особенно в присут­ствии волокон), причём наиболее сильно влияет эмульгирован­ная влага. Вследствие большой диэлектрической проницае­мости частички влаги и волокна втягиваются в область наи­большей напряжённости электрического поля, по­ляризуются и вытягива­ются вдоль силовых линий поля.

При касании электро­дов частички заряжаются и движутся к противоположному электроду. Это приводит к образо­ванию «мостиков» из цепочек частиц. При обра­зовании неполного мости­ка или при его нарушении возникают сильные мест­ные напряжённости в мес­тах разрыва цепочек час­тиц, вследствие чего на­чинаются местные иони­зационные процессы и может произойти пробой всего межэлектродного промежутка.

 Зависимости пробивной напряжённости минерального масла от содержания влаги для малых промежутков (S < 5см) (рисунок 4.11) показывают, что при температуре 20 °С на­личие 40…50 миллионных долей влаги уменьшает электрическую прочность трансформаторного масла приблизительно в 10 раз. Снижение электрической прочности в области малых кон­центраций вызвано влиянием растворённой влаги, а в об­ласти больших концентраций – эмульгированной влаги.

При расстояниях между электродами S > 1 см в слабо­неоднородном и особенно в сильнонеоднородном поле влия­ние влаги и примесей значительно слабее, что объясняется затрудненностью образования цепочек, длина которых соиз­мерима с расстоянием между электродами.

Роль частиц примесей в снижении электрической прочно­сти может также заключаться в следующем. Когда частица подходит близко к электроду, то в промежутке между частицей и электродом возникает повышенная напряжённость электрического поля, что увеличивает эмиссию электронов и способствует интенсивной ионизации в этой области.

Рисунок 4.11 – Зависимость электрической прочности Е_пр минерального масла от содержания влаги С_Н2О (стандартный разрядник): 1 – маловязкое трансформаторное масло; 2 – вязкое кабельное масло

Наличие влаги и волокон весьма мало сказывается на прочности жидких диэлектриков при коротких импульсах напряжения (порядка единиц и десятков микросекунд). Это объясняется тем, что вследствие кратковременности импуль­са за время воздействия напряжения частицы примесей не успевают переместиться на значительные расстояния и повлиять на развитие разряда в жидкости.

Пробивное напряжение как технических, так и очищенных жидкостей при промышленной частоте сильно зависит от давления. По-видимому, эти зависимости связаны с образо­ванием в жидкости при высоком напряжении пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя.

В области давления (1 – 6)10⁵ Па для трансформатор­ного масла зависимость электрической прочности от давле­ния может быть представлена в виде

                 ,             (4.50)

где Р – избыточное давление масла в Па; – в кВ/см.

При импульсных воздействиях увеличение давления прак­тически не сказывается на электрической прочности жидкостей.

Если температура жидкости приближается к температуре кипения, то пробивное напряжение значительно снижается (рисунок 4.12). При этом в жидкости образуются газовые пузырь­ки, которые снижают ее электрическую прочность.

Рисунок 4.12 – Зависимость пробивного напряжения U_пр от температуры t для ксилола при постоянном напряжении и разных давлениях ( - - - температуры кипения при различных давлениях)

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от длительности приложения напряжения , причём, чем больше примесей в жидкости (особенно влаги и волокон), тем сильнее эта зависимость.

Типичную зависимость  для технического минерального масла (рисунок 4.13) можно разбить на две области. В первой области (время воздействия с) примеси газов, влаги и волокон, которые практически всегда присут­ствуют в технически чистом жидком диэлектрике, не успе­вают переместиться на заметные расстояния и не оказывают влияния на электрическую прочность. Резкое увеличение электрической прочности при уменьшении длительности на­ступает при времени воздействия, соизмеримом с временем развития разряда в жидкости. Скорость прорастания канала разряда в жидкости равна (0,1 – 10) см/мкс и зависит от на­пряжённости поля. Поэтому увеличение импульсной прочно­сти для расстояний (1 – 10) см происходит при <10 мкс, а для расстояний (10^{-2 –} 10^-3) см – при < 0,01 мкс.

Рисунок 4.13 – Зависимость пробивного напряжения U_пр технически чистого трансформаторного масла от длительности τ приложенного напряжения положительной (+) и отрицательной (-) полярности

Во второй области >10^-3 электрическая прочность начинает снижаться из-за влияния примесей, а также вслед­ствие возможного образования в жидкости пузырьков газа.