Механизм пробоя очищенных жидких диэлектриков.

При развитии теории пробоя жидких диэлектриков удаётся использовать многие резуль­таты, полученные при исследовании электрической прочности газов (например, искажение поля объёмными зарядами и т. д.). В то же время некоторые физические процессы в жидких диэлектриках ближе к явлениям, возникающим при пробое твёрдых диэлектриков, так как различия между твёр­дыми веществами и жидкостью меньше, чем между жидкостью и газом. Это относится, например, к процессам рас­сеивания энергии электронов в жидкости, эмиссии электронов с поверхности катода и др. Механизм пробоя очищенных жидкостей в основном обусловливают следующие факторы:

1) эмиссия электронов с поверхности катода;

2) автоионизация в объёме жидкости;

3) ударная ионизация электронами и образование пространственного заряда в жидкости;

4) возникновение в жидком диэлектрике пузырьков газа, которые деформируются в поле, участвуют в образовании канала разряда, обусловливая полный пробой. Газовые пузырьки могут образовываться как в результате разложения углеводородов жидкого диэлектрика, так и вследствие вски­пания жидкости под воздействием выделяемой энергии («тепловая» теория).

Образованию начальных и последующих стримеров в жид­ком диэлектрике может способствовать наличие частичек примесей (влага, волокна), приводящих к увеличению мест­ных напряженностей электрического поля.

Картина развития пробоя в сильнонеоднородном поле в основном одинакова при положительной и отрицательной полярностях электрода с большей кривизной. Пробивное напряжение (импульсное и постоянное) большинства жидко­стей при отрицательной полярности острого электрода значи­тельно выше, чем при положительной.

Основные закономерности пробоя твёрдых диэлектриков. В зависимости от характеристик диэлектрика, рода напря­жения и условий проведения опыта можно установить три ос­новных вида пробоя.

1 Электрический пробой диэлектриков возникает в результате чисто электрических явлений при условии, что в про­цессе приложения напряжения (протекания тока) исключе­ны химические изменения в диэлектрике или его перегрев за счёт выделяющейся энергии.

2 Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении на­пряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжении, называемом напряжением теплового пробоя, тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во вре­мени и разрушение диэлектрика.

3 Пробой, связанный с развитием частичных разрядов,
возникающих в ослабленных участках диэлектрика, вызывает разрушение диэлектрика в процессе воздействия таких раз­рядов.

Кроме того, возможны смешанные виды пробоя, а также пробои, связанные с химическими изменениями диэлектрика под воздействием приложенного напряжения (например, электролитические процессы при постоянном напряжении, раз­рушение диэлектрика озоном и окислами азота, образующи­мися в результате частичных разрядов, и т. д.).

Пробивная напряжённость большинства твёрдых диэлек­триков при электрическом пробое в однородном поле состав­ляет (10² – 10³) кВ/мм.

Из теорий электрического пробоя рассмотрим модель «чисто» электри­ческого пробоя, модель пробоя под действием частичных разрядов и наиболее проработанную теорию теплового пробоя.

Большое количество моделей рассматривают электрический пробой твёрдых диэлектриков. Считается, что электроны могут вырываться из элек­тродов или из молекул примесей, например, путём туннельного эффекта за счёт действия сильного электрического поля или путём термоионизации при­месей, и попадают в зону проводимости. Там они ускоряются и набирают энергию, достаточную для выбивания новых электронов из заполненной зоны. В некотором смысле это аналогично пробою газов, только электроны движут­ся не в свободном пространстве, а в зоне проводимости, взаимодействуя с ко­лебаниями решётки и неоднородностями в виде примесей и нарушений ре­шётки, набирая энергию для ионизации в пределах ширины зоны проводимо­сти. В результате прохождения лавины в диэлектрике выделяется энергия, что приводит к локальному разрушению решётки и появлению канала разряда. В случае чисто «электрического» механизма пробоя не должно быть темпера­турной зависимости электрической прочности Е(Т). Этот механизм, по-видимому, может реализоваться для чистых кристаллов с достаточно широкой зоной проводимости.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела «элек­трод-диэлектрик». Они возникают в процессе изготовления электроизоляци­онной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе экс­плуатации, например, в результате вибрации или механических напряжений. Наличие пор и связанное с ними возникновение ионизационных явлений слу­жит одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, так называемого "старения" диэлектриков.

Термин "старение" используется для обозначения ряда медлен­ных процессов, возникающих в изоляции реальных конструкций в процессе эксплуатации. К этим процессам относятся действие высоких напряжённостей поля, температуры, развитие местных дефектов в ре­зультате ионизационных процессов. Сюда же относятся снижение ме­ханической и электрической прочности из-за увлажнения, растрески­вания, загрязнения и т.д. Так, например, увеличение содержания влаги в хлопчатобумажной изоляции до 1,1 % сокращает срок её службы в 6 раз.

При постоянном напряжении ионизационные и электротепловые явления воздействует слабо, однако возникает новый вид старения изоляции – химическое старение. В этом случае возникают электроли­тические явления, которые постепенно приводят к химическому пере­рождению вещества диэлектрика и к пробою диэлектрика. Химическое старение резко возрастает при увлажнении изоляции и загрязнении её веществами ионного характера. Старение «здоровой» изоляции идёт интенсивно под действием высоких температур. Старение трансформа­торного масла задерживается присадкой специальных веществ – инги­биторов, устройством азотной защиты, устраняющей контакт масла с кислородом, систематической очисткой (регенерацией) масла.

В ряде случаев тепловое старение может превалировать. Основной ме­ханизм старения диэлектриков – воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетических установках и устройствах на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии пере­менного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных по­рах возникают частичные разряды.

Частичный разряд – локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика. Каждый разряд оказывает воздействие на диэлектрик за счёт образова­ния активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсив­ность частичного разряда ЧР зависит от напряжённости поля. Поскольку разряды обычно возни­кают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, с течением вре­мени их действие нарастает! Это ведет к постепенному разложению материа­ла, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию) и в конце концов к зарождению дендрита.

Дендрит – древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разру­шению диэлектрика. Образование дендрита характерно для любых видов твёрдых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 до (10 – 20) мкм [1].

Интенсивность роста дендрита зависит от напряжённости поля, и она определяет зависимость времени жизни от напряжённости и частоты воздей­ствующего напряжения. Отметим, что поведение органических и неорганиче­ских диэлектриков под действием электрических полей различается. На пере­менном напряжении неорганика практически не стареет, так как в ней не происходит обуглероживания каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счёт перемещения ионов разного знака к разным электродам. Органические диэлектрики, например полимеры, на постоянном напряжении практически не стареют, так как не содержат ионов в заметных количествах. На переменном напряжении они стареют за счёт ЧР, а во влажных условиях и за счёт нового явления – водных триингов.

Водный триинг (водный дендрит) – образование разветвлённой микроструктуры в виде объёмной сетки или микрокустов в теле диэлек­трика, состоящей преимущественно из воды. Характерен для полиэтиленовой изоляции кабелей, работающих во влажных условиях. Растёт под действием напряжения и воды. Диаметр водного дендрита – доли микрон. За счёт высокой растворяющей и ионизирующей способности воды в структуре водного дендрита накапливаются ионы, благодаря чему каждый «куст» дендрита является электропроводным. Поэтому при прорастании структуры триинга в глубь промежутка перед дендритом увеличивается напряжённость поля. При распространении дендрита до размеров половины промежутка или более про­исходит пробой промежутка.

Для загрязнённых либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счёт прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возника­ет вследствие положительного температурного коэффициента электропровод­ности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с рос­том температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде

               ,              (4.52)

где а – температурный коэффициент зависимости;  – начальная температура;  – электропроводность при начальной температуре.

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом [5]. Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении они определя­ются удельной проводимостью диэлектрика g, а при переменном – тангенсом угла диэлектрических потерь tg d . Так как с повышени­ем температуры величины g, а в об­ласти повышенных температур – и величины tg d растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение g или tg d с повышением температуры, в свою очередь, приводит к увеличению вы­деляемых в диэлектрике потерь и к дальнейшему росту температуры; это заканчивается тепловым разрушением диэлектрика.

Рассмотрим слой однородного диэлектрика с толщиной  = d, находящийся между бесконечными плоскими элек­тродами (рисунок 4.14). Составим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесномусостоянию системы. В дан­ном случае из соображений симметрии принимаем плоскопараллельное тепловое поле с градиентом температуры по оси z. Поток тепла, входящий за 1 с в параллельный электро­дам слой диэлектрика толщиной dz и площадью 1 см², бу­дет меньше потока, выходящего из слоя, на количество теп­ла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие ди­электрических потерь

,                 (4.53)

где k – коэффициент теплопроводности диэлектрика; – эквивалентная удельная проводимость диэлектрика. Для переменного напряжения

 (4.54)

где – относительная диэлектрическая проницаемость; – частота приложенного напряжения.

Напряжённость теплового пробоя изменяется обратно пропорционально d.

С учётом связи между и tg d по уравнению (4.54) имеем

                         (4.55) 

где k – в кал/с град см; – в вольтах.

Приведённые выше формулы получены в предположении, что в диэлектрике при его разогреве величина напряжённости поля не зависит от координаты z. Это допущение можно считать справедливым при переменном напряжении, для ко­торого, если пренебречь током проводимости,

                                          (4.56)

Рисунок  4.14 – Схема диэлектрика к расчёту теплового пробоя: А, В – электроды; С – диэлектрик

Величина  для большинства технических диэлектриков сла­бо зависит от температуры при не очень высоких частотах. При постоянном напряжении

                                          (4.57)

и вследствие зависимости  от  имеет место существенная зависимость Е от z, причём слои диэлектрика, ближайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные.

В этом случае напряжённость и напряжение теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (4.55) и (4.56), в которых изменяется только функция

                              (4.58)

                                 (4.59)

При d ® ∞ и  c ® ∞  j ₁ (с) ® 1,0. Повышение пробивных напряжений для постоянного напряжения при тех же d и       объясняется   уменьшением  напряжённости  в  центральной                                                                      

части диэлектрика, т. е. в области наибольших температур, и затруднением развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика  на основании (4.58) и (4.59), пробивное напряжение пропорционально , а пробивная напряжённость – обратно пропорциональна . Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлек­трике за счет потерь, равно количеству тепла, отводимого через электроды, установившаяся температура может ока­заться слишком высокой. Разрушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода.