Учебно-методический комплекс по дисциплине «Электротехнические материалы»


Если используют жидкое стекло (75% SiO



страница6/11
Дата01.08.2016
Размер1.86 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Если используют жидкое стекло (75% SiO2 + 24% Na2O + вода, что составляет силикатный клей)  то полученный материал называют вилитом.  Здесь SiC 84%, связующего 16%. Смесь прессуется и обжигается при температуре 380 °С.

Для применения в качестве ограничителей напряжения нелинейность карбида кремния невелика - всего 7, а изготовленные из него материалы имеют еще меньшую нелинейность - от 3 до 5. Поэтому, при включении параллельно защищаемому аппарату такой ОПН либо не будет защищать, если сделать его сопротивление при рабочем напряжении большим, либо будут значительные потери на рабочем напряжении. Для решения этой проблемы последовательно с варистором в цепь устанавливают разрядник.

Вторым, в настоящее время наиболее важным материалом для варисторов, является оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешение со связкой, прессование, спекание с выжиганием связки, размол, вторичное спекание, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью до 50-70. Такая нелинейность позволяет обходиться без разрядников. ОПН набирают из последовательно-параллельного соединения варисторов, заключают в диэлектрическую рубашку и присоединяют параллельно к защищаемому аппарату.

Лекция 8

Электропроводность и потери в диэлектриках
8.1. Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.

8.2. Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.

8.3. Электропроводность неоднородных диэлектриков.

8.4. Диэлектрические потери.

 

8.1. Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.


Диэлектрические вещества - это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением



(8.1)

где e0 - диэлектрическая постоянная, e0 = 8.85 10-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля.



Резистивные вещества - такие вещества, в которых электрическая энергия расходуется, т.е. преобразуется в другой вид энергии, а именно в тепловую энергию.

Удельные потери энергии при действии постоянного напряжения определяются выражением



(8.2)

где r - удельное электрическое сопротивление, t - длительность действия напряжения.

Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:

e=t0r×e× , (8.3)

Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t, вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w, где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.

Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять взяв плоский конденсатор с веществом, имеющим соответствующие e, r (Рис.8.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его проводником .

(8.4.)

Собственно говоря рис.8.1 и изображает простейшую схему замещения реального конденсатора на идеальные конденсатор и сопротивление. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.



Простейшая схема замещения диэлектрика состоит из параллельного соединения емкости и сопротивления.

Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.8 постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (8.4.) можно получить RC=e=t0r×e×. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.

 

Рис. 8.1. Простейшая схема замещения диэлектрика.



Рассмотрим некоторые примеры. Хорошо очищенное от примесей трансформаторное масло обладает удельным сопротивлением до r = 1012 Ом·м, диэлектрической проницаемостью e = 2.2, откуда t = e0r×e× » 20 сек. Сравнивая с 1/w » 3·10-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц, можно заключить, что t >> 1/w, т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение r может упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t £ 0.1 сек., что сравнимо с 1/w. Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.

Для ряда случаев схема замещения диэлектрика может представляться в виде последовательного соединения емкости и небольшого сопротивления r. При этом значения емкостей при параллельном и последовательном представлениях близки друг другу, тогда как сопротивления сильно различаются. Для хороших диэлектриков R>>r.


8.2. Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.



 

Как уже указывалось в лекции 2, способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно еще раз написать наиболее общую формулу, для плотности тока j верную для любых сред, за исключением вакуума.



j =S ni qi bi E, (8.5)

Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), ni - концентрация зарядов i-cорта, qi - значение заряда, bi - подвижность носителей заряда.

В соответствии с выведенными ранее выражениями рассмотрим особенности электропроводности при различных агрегатных состояниях.

Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы “вморожены” и практически не имеют возможности движения bi ~10-23 м2/В×с. Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать be~10-3 м2/(Вc). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул n~1027 шт/м3 и составляет пренебрежимо малую величину.  

Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Ясно, что по этому механизму проводимость твердых диэлектриков практически отсутствует, т.к. заметное изменение концентрации возможно лишь за времена, сопоставимые с геологическими периодами. Поскольку основную роль в выражениях (2.5),(2.7) играет экспоненциальный множитель, то лишь наличие примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны, вблизи от края зоны с DW~1 эВ, дает возможность проводимости твердых тел.



Газы. Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем n~1025 шт/м3, энергию ионизации W~10-20 эВ, подвижность электронов be~10-3 м2/(В×c), ионов bi~10-4 м2/(В×c), заряд e=1.6 10-19 Кл. Определяющим фактором является экспоненциальный множитель, что дает пренебрежимо малую проводимость. 

          На самом деле фактором, определяющим проводимость газов является космическое излучение.  Проводимость воздуха за счет естественной ионизации составит s ~10-14 Cм/м.



Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, макрочастицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости. Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.

Что касается подвижности, то она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы “вморожены” в жидкость и переносятся “микроструйками” жидкости.

Подвижность, связанная с движением жидкости, называется электрогидродинамической и составляет mэгд ~ (10-7 - 10-8) м2/Вc., т.е. на три-четыре порядка меньше подвижности ионов в газах.

Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации.

С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность радикального уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками.

8.3. Проводимость  неоднородных диэлектриков.




  Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков или просто иметь границу раздела. Даже в этом случае появляются новые особенности электропроводности, в частности следует учитывать не только проводимость самих диэлектриков, но и границ раздела. Само по себе наличие границы не меняет проводимость конструкции, однако поверхность неизбежно содержит химически активные элементы. В контакте с воздухом поверхность обогащается веществами, содержащимися в воздухе. Известно, что даже в контакте с чистым воздухом на ней адсорбируется вода, например на поверхности окислов может содержаться до 100 молекулярных слоев воды. В воду из воздуха могут попадать и разные другие примеси, в частности углекислый газ. Вода с углекислым газом реагирует в соответствии с реакцией:

Н2О + СО2 «Н2СО3 «Н+ + НСО3- (8.10)

Таким образом на поверхности появляются носители заряда и поверхность изолятора приобретает дополнительную проводимость. 

Поверхностная проводимость - проводимость, связанная с появлением и движением носителей заряда по поверхности.

На поверхности оборудования, эксплуатирующегося в наружных условиях скапливаются промышленные и естественные загрязнения. Наибольшую проводимость дают цементирующиеся загрязнения в сочетании с т.н. “кислыми дождями”. При этом проводимость может достигать больших значений, фактически превращая электроизоляционную конструкцию в электропроводящую конструкцию. Например сухая поверхность загрязненного изолятора обладает некоторой проводимостью, но, в целом, конструкция является диэлектриком. Если поверхность высоковольтного загрязненного изолятора увлажнена, то она обладает высокой проводимостью. Например во влажную погоду проводимость по поверхности столь высока, что может поддерживать дуговой разряд, так на поверхности возникают электрические микродуги в тех областях, которые высыхают под действием протекающих по поверхности токов.

Для описания протекания тока по поверхности вводят понятия удельной поверхностной проводимости или удельного поверхностного сопротивления.

По определению удельное поверхностное сопротивление означает сопротивление, измеренное между электродами длиной 1 м, приложенными к поверхности на расстоянии 1 м друг от друга. 

(При измерении электроды образуют две противоположные стороны квадрата.) Размерность удельного сопротивления [rп]=Ом или Ом/ (Ом на квадрат). Последнее является устаревшим. Характерно, что при таком способе измерения значение сопротивления не зависит от размеров электродов.

Для неоднородных диэлектриков простая схема замещения конденсатора в виде параллельно соединенных R и C не годится. Для них строят более сложные RC цепочки. Рассмотрим несколько типичных случаев неоднородных диэлектриков.

В случае однородного диэлектрика с поверхностной проводимостью параллельно RC цепочке присоединяется дополнительное сопротивление Rп= rп×d/l, где d - расстояние между электродами по поверхности изолятора, l - длина границы между электродом и изолятором (рис.8.2).


Рис.8.2. Схема замещения диэлектрика с поверхностной проводимостью. 

Схема замещения неоднородного диэлектрика может содержать не только последовательные, но и параллельные цепи. Для композиционных диэлектриков, состоящих из слоев диэлектриков разного типа, например слоев бумаги, пропитанных маслом нужно учесть свойства обоих диэлектриков. Очевидно, что для бумажно-масляной изоляции можно предложить следующую схему (рис.8.3a):

а) б)

Рис. 8.3. Схемы замещения двухслойного диэлектрика (а) и диэлектрика с абсорбционными токами (б). 



Физически эта схема моделирует каждый из слоев, имеющих разные электрические характеристики, слои масла со своими eм и rм, слои бумаги со своими eб и rб.



Рис.8.4.Абсорбционный и установившийся ток в изоляции.
Для описания реальных диэлектриков, помимо изложенных, используется смешанная схема замещения, которая для ряда сложных изоляционных объектов наиболее полно соответствует поведению изоляции. Обычно при подаче постоянного напряжения ток через диэлектрик ведет себя следующим образом (Рис.8.4.): I = I¥+ Iабс, где I¥-установившийся ток, Iабс- абсорбционный ток, который затухает во времени Iабс= Iабс0 exp(-t/t).

Абсорбционный ток - часть тока через диэлектрик, которая экспоненциально затухает с течением времени. 

          Природа абсорбционного тока сильно зависит от типа диэлектрика. Этот ток может быть связан с реальным током в составном диэлектрике, в более проводящей части диэлектрика, Этот ток приводит к зарядке менее проводящей части диэлектрика. Другой тип абсорбционного тока связан с характерными временами установления поляризации в диэлектрике. В этом случае постоянная времени цепочки R2 C2 соответствует характерному времени установления поляризации. Схема рис.3б соответствует обоим типам абсорбционного тока, причем I¥ соответствует “сквозному” току через R1 , Iабс- току в цепочке R2 C2.

 

8.4. Диэлектрические потери.




           Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e0Ee2/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не теряться. В реальном диэлектрике часть энергии уходит из электрической цепи, превращаясь в другой вид энергии, а именно в теплоту. Есть два основных канала превращения энергии в тепло: потери за счет проводимости и поляризационные потери.

Потери за счет проводимости при постоянном напряжении определим из известных выражений. Из закона Ома можно определить мощность, поглощенную веществом P = U2/Rизол, а из закона Ома в дифференциальной форме (формула (8.5)) следует, что за счет обычной проводимости удельные потери мощности составят p = E2/r.

Для случая переменного напряжения появляются дополнительные потери, связанные с поляризацией и токами абсорбции, которые принято представлять в виде:

P =  U2wC tgd (8.11)


   Ir
            Ic


 

Рис 8.5 Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями.


  где d -угол диэлектрических потерь, смысл которого можно понять из векторной диаграммы рис.8.5., tgd = Ia/Ic - отношение активного тока к реактивному. В принципе физический смысл tgd можно понять из общих соображений. Мощность потерь - это активная мощность, произведение активного тока на напряжение. Можно пойти от известного угла между током и напряжением j P = UIcosj, выразив I через реактивный ток I = Iр/sinj, получим P = U2wC ctgj, откуда видно что d = 2¤p-j.  Кроме этого понятия вводят новое - добротность изоляции Q = 1/tgd, характеризующее количество периодов, в течение которых в диэлектрике поглощается накопленная энергия W = CU2/2.

В некоторых случаях целесообразно рассмотреть удельные диэлектрические потери 

р = Е2ewe0 tgd.

В заключение приведем выражения для tgd для разных схем замещения диэлектрика:



Схема рис.8.1.      tgd = 1/wRC;  

Последовательная схема замещения       tgd = wrC;



Схема рис.8.2.      tgd = (R+Rп)/wRRпC;

Схема рис. 8.3б     tgd = ; t = R2C2.

Следует отметить, что потери зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерь является характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материала не только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей.

Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости.

С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной воды, и эмульгированной воды.

Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgd, что объясняется ростом электропроводности. Причины этого будут подробно рассматриваться в следующем разделе.
 
Лекция 9

Процессы в диэлектриках под действием сильных электрических полей
9.1. Элементарные процессы в газах. Лавина, стример, лидер.

9.2. Пробой в жидкостях. Эмпирические зависимости электрической прочности. Роль газовых пузырьков.

9.3. Пробой твердых диэлектриков. Электрический пробой. Тепловой пробой. Частичные разряды.

 

В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами.



Изоляционный промежуток - устройство, или элемент устройства, содержащий электропроводные элементы с диэлектриком между ними. 

При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает новое физическое явление - электрический пробой промежутка. 



Электрический пробой - образование под действием высокого напряжения электропроводного плазменного канала в диэлектрике между электродами изоляционного промежутка.

       При этом диэлектрик перестает быть диэлектриком и напряжение между электродами уменьшается до нуля за счет разряда заряженной емкости диэлектрика через образовавшийся канал. После отключения изоляционного промежутка с жидким или газообразным диэлектриком от источника напряжения канал разряда в жидкости и в газе исчезает и после прошествия некоторого времени напряжение можно снова подавать на устройство. Электрическая изоляция этих материалов восстанавливается. В твердых диэлектриках канал разряда разрушает сам материал и не происходит самовосстановления. Напряжение на устройстве практически невозможно подать после единичного пробоя.

      Напряжение, при котором происходит электрический пробой промежутка называется электрической прочностью промежутка.

      Электрической прочностью материала называется напряженность, при которой происходит пробой материала.

      Она зависит от материала диэлектрика, конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения.

9.1. Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.




  В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами. Зависимость тока в газе при возрастании напряжения имеет три характерных участка (Рис.9.1.). Первый - линейная зависимость, второй - насыщение, третий участок - экспоненциальный рост. В этой области резко начинают расти и диэлектрические потери. Причина заключается в появлении носителей в промежутке за счет нового механизма - ударной ионизации.


 

Рис.9.1. Зависимость тока в газе от напряжения.


 

 

 



       Ударная  ионизация -это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами.

     Откуда берутся электроны с повышенной энергией? Электроны появляются из электродов, либо в результате развала отрицательного иона, либо в результате термоионизации. В электрическом поле на электрон действует сила, в результате чего он ускоряется и набирает энергию. После прохождения расстояния l приобретаемая энергия составит DW=eEl. При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

      Ионизация электронами происходит, в том случае, если кинетическая энергия налетающего электрона mV2/2 > W по схеме e+A = A+ +e+e. Такой тип ионизации называется прямой ионизацией. Здесь А - молекула или атом газа.

      Однако возможна ионизация и при меньшей энергии налетающего электрона, если она превышает энергию возбуждения Wвозб. Такой тип ионизации называется ассоциативной ионизацией. Она происходит в два этапа, с участием возбужденных молекул A*. Критерием начала ассоциативной ионизации является W>mV2/2> Wвозб. Возможны следующие схемы

e + A = A*+ e, A* + e=A+ + e + e

e + A= A* + e, A* + e=A + e + Wi, e + Wi + A=A+ + e

e + A=A* , A* + A*=A+ + e

         Кроме ионизации молекул электронами возможна фотоионизация, термоионизация и автоионизация. 



Фотоионизация - выбивание электронов фотонами при энергии фотона не меньше чем энергия ионизации. 

Термоионизация - появление свободных электронов и ионов за счет тепловой энергии.  Как можно оценить по выражениям (2.5.), (2.7.), она имеет заметные скорости при температуре несколько тысяч градусов.   

    Автоионизация - вырывание электрона из молекулы за счет действия сильного электрического поля. Заметную роль в появлении электронов автоионизация начинает играть в полях более 10 МВ/см. В реальной электрической изоляции всегда следует учитывать контакт диэлектрика с электродами. При этом возможно зарождение новых носителей заряда с участием электрода фактически с помощью тех же процессов, т.е. фотоэффекта, автоионизации, выбивания электрона положительным ионом.

Как развиваются ионизационные процессы? Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой проходит определенное расстояние, называемое длиной свободного пробега.

  Длина свободного пробега, - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до неупругого столкновения с молекулой.

lион = 1/(4pnr2) (9.1.)

lэлект = 1/(pnr2) = kT/(p ·p·r2)

      где n- концентрация молекул, r- их радиус. Поскольку на каждом столкновении энергия теряется, то электрон не может бесконечно ускоряться и для каждого поля устанавливается определенная скорость V = b·E, где b - подвижность. Поскольку длина пробега иона в четыре раза меньше длины пробега электронов, то ударная ионизация ионами представляется маловероятной.

 

Табл.2.1. Подвижность некоторых носителей заряда в воздухе.



Тип носителей

Подвижность носителей, 10-4 м2/(В·сек)

 

воздух

Водород

Пары воды

m-

1.4

6.7

0.47

m+

1.9

7.9

0,42

 

      Для сравнения оценка подвижности электронов в воздухе 0.1 м2/(В·сек). Если энергия на длине пробега достаточна, после первого столкновения в объеме появляются дополнительно 1 электрон и ион, после второго - еще 2 электрона и 2 иона и т.д. Возникает так называемая лавина.

   Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами n = n0 ead. Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a = 18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

       Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины снова появился на катоде электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g - т.н. вторичный ионизационный коэффициент. Для плотности электронного тока можно получить выражение j = j0×e/(1-g(ead-1)).



Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

1-g(ead-1) = 0 (9.2.)




Рис.9.2. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.


 

Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н. закон Пашена 

U = f(pd), или в другом виде E/p = F(pd)

       Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Характерная кривая для пробоя газов приведена на рис.9.2. Она имеет минимум, значение которого и положение зависят от типа жидкости. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи pd~1 Па×м.

        После пробоя газового промежутка он заполняется газоразрядной плазмой. В дальнейшем, в зависимости от мощности источника напряжения в промежутке развиваются различные виды разрядов. Если источник недостаточно мощен и давление невелико, то развивается тлеющий разряд. Этот разряд происходит во всем объеме, он имеет несколько характерных зон, основные из которых - темное пространство у катода и светящийся анодный столб. В темном пространстве электроны не имеют достаточно энергии для возбуждения молекул и поэтому нет свечения. В положительном столбе свечение вызвано излучением возбужденных молекул. Анодное свечение используется в люминесцентных лампах.

В случае мощного источника напряжения в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд. Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. Дело в том, что по мере удлинения лавины заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму.

Стример - распространение с высокой скоростью в промежутке проводящего и светящегося плазменного локального образования.

           Критерием перехода является выполнение условия ad = 20. Наглядно стример можно представить себе как светящийся шарик из плазмы, пробегающий от одного электрода к другому.

           По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что место где прошел стример прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее (см. лекцию 8). Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка и способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя.

            Кроме того, для линий электропередач и других систем с резконеоднородным полем возникает особое явление разряда - корона. Это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Из эмпирических зависимостей электрической прочности газов от внешних факторов отметим следующие:


Рис.9.3. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальных условиях от температуры


Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT  или n = P/kT. Для атмосферных условий влияние изменения и давления и температуры можно учесть так: E = E0d, где d -относительная плотность d = 0.386Р/(t + 273) (рис.9.3.).


Рис.9.4. Электрическая прочность воздушного промежутка 1 мм при высоких давлениях [2]/





Зависимость от давления. В условиях лавинного пробоя при pd<100 зависимость E(p) полностью эквивалентна кривой Пашена при d = const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид кривой с насыщением.

             Зависимость от межэлектродного зазора. Для лавинного пробоя - аналогична кривой Пашена при р = const. При повышенных давлениях и малых зазорах E = 30 + A/d, где А - постоянная. Экспериментальные данные по пробою микронных зазоров показывают, что пробивная напряженность доходит до 200 кВ/см.  


          
Зависимость от площади электродов. Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е0S-1/10 . Обычно эту зависимость объясняют наличием т.н. «слабых мест» на поверхности в виде неоднородностей, пленок и т.п., возрастание числа которых с ростом площади приводит к уменьшению электрической прочности. 
         
Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого изолятора и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

        Закономерности импульсного пробоя газов

            При импульсном пробое газов увеличивается электрическая прочность относительно статического уровня. Это связано с конечным временем формирования разряда, которое, в свою очередь, обусловлено вероятностными характеристиками появления первичных электронов в промежутке, появления вторичных лавин и стримеров и т.д. Значения возникающего перенапряжения, т.е. увеличения пробивного напряжения относительно статического уровня может достигать двухкратного и более уровня.

  9.2. Пробой жидкостей  




        Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, считая жидкость плотным газом. Это основывалось на схожести картины разряда и на некоторой схожести разрядных зависимостей. Однако прямое, непосредственное применение газовых аналогий неправильно. Дело в том, что поведение электронов в жидкости кардинально отличается от поведения электронов в газе. Молекулы жидкости расположены столь близко друг другу, столь сильно взаимодействуют друг с другом, что электрон не может свободно двигаться и ускоряться в электрическом поле. В жидкости, кроме особо чистых сжиженных благородных газов, свободные электроны не могут существовать. При попадании свободных электронов в жидкость они сначала сольватируются, затем прилипают к нейтральным молекулам, образуя тем самым, отрицательные ионы. Поэтому понятие длины свободного пробега для жидкости невозможно ввести. Грубая оценка принципиальных ограничений электрической прочности может быть сделана из следующих соображений. Считаем, что электрон может ускоряться на протяжении межмолекулярного расстояния. Используя в качестве длины пробега lэлект межмолекулярное расстояние l можно получить оценку предельной электрической прочности жидкости:

eEпред l = W

           Подставляя значения l ~ 5×10-10 м, W ~ 5 эВ, получим, что Eпред~ 1010 В/м. Эксперименты дают значения на 3-4 порядка меньше.

 

Рассмотрим характер некоторых эмпирических зависимостей электрической прочности жидких диэлектриков от различных факторов.



Зависимость от давления Электрическая прочность жидкостей зависит от давления достаточно слабо Е ~p1/6-1/12 . Иногда эту зависимость представляют в виде кривой с насыщением.

Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например для технически чистого трансформаторного масла электрическая прочность с ростом температуры от отрицательных температур до 30-40 °С уменьшается, затем возрастает в диапазоне до 50-70 °С и потом снова убывает. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение. Объяснение этому будет дано ниже.

Зависимость от межэлектродного зазора. При малых зазорах пробивная напряженность поля резко нарастает с уменьшением зазора. Согласно экспериментальным данным в микронных зазорах пробивная напряженность доходит до 10 МВ/см.

Зависимость от площади Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е0S-1/10 . Несомненно, что как и в случае пробоя газа она обусловлена вероятностными характеристиками инициирования пробоя.

Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды.

Закономерности импульсного пробоя жидкости

         При импульсном пробое жидкостей также увеличивается пробивное напряжение по мере укорочения длительности импульса. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10-20 МВ/см.

         Для практических целей предложено и широко используется обобщение эмпирических зависимостей в виде т.н. формулы Мартина.

(9.3)

где постоянная M зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса t следует подставлять в микросекундах, давление в атм., а площадь электродов S - в см2. Постоянная А составляет 0.7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0.6 МВ/см для глицерина, 0.5 МВ/см для этилового спирта, 0.6 МВ/см для воды в случае пробоя с катода, 0.3 МВ/см в случае пробоя с анода.

Для пробоя жидкостей существуют специфические зависимости электрической прочности от наличия примесей. В принципе увеличение количества таких примесей, как механические твердые частицы, пузырьки, примеси, увеличивающие электропроводность приводит к уменьшению электрической прочности. Зачастую электрическая прочность является не физической характеристикой жидкости, а технологической характеристикой жидкости и способа ее приготовления.


Рис.9.5 Расчетная (пузырьковая модель) и эмпирическая зависимости предпробивного времени от напряженности поля



 

 

 




9.3. Электрический пробой твердых диэлектриков  


            Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях.

  Закономерности пробоя твердых диэлектриков



Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.


Рис.9.6. Зависимость электрической прочности пленки SiO2 от толщины [2]


Зависимость от межэлектродного зазора.

При малых зазорах напряженность поля пробоя резко нарастает с уменьшением зазора (рис.9.6). Современные экспериментальные данные по пробою специально выращенных бездефектных пленок показывают, что пробивная напряженность в субмикронных зазорах может доходить до 100 МВ/см.



Зависимость от площади. Эта зависимость - чисто эмпирическая, как в газах и жидкостях, она имеет вид Е=Е0S-1/10

Кристаллографическая направленность. При разряде в кристаллах, например NaCl, с “игольчатого” электрода разряд зачастую имеет вид не “дерева” или “куста”, а разветвленной структуры с ветвями, ориентированными вдоль определенных кристаллографических направлений. При этом, разряд с анодного острия предпочитает одни направления, а с катодного острия - другие.

Закономерности импульсного пробоя: такие же, как в случае пробоя жидкостей. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10 МВ/см.

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

Много моделей рассматривают электрический пробой твердых диэлектриков. Считается, что электроны могут вырываться из электродов или из молекул примесей, например путем туннельного эффекта, или термоионизации и попадают в зону проводимости. Там они ускоряются и набирают энергию, достаточную для выбивания новых электронов из заполненной зоны. Выделяющаяся энергия приводит к разрушению и появлению канала разряда. В случае чисто «электрического» механизма не должно быть температурной зависимости Е(Т).  

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик”. Это является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, т.н. старения диэлектриков.



Старение диэлектриков - ухудшение характеристик диэлектриков при их эксплуатации.  


Рис.9.7. Зона частичных разрядов на подъеме и спаде напряжения.

 
Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетике на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают частичные разряды.(рис.9.7)

Частичный разряд - локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика.

         Каждый разряд оказывает слабое воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность ЧР зависит от напряженности поля. Однако разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, поэтому 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. Характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10-20 мкм.

        Интенсивность роста дендрита зависит от напряженности поля и она определяет зависимость времени жизни от напряженности и частоты воздействующего напряжения. Поведение органических и неорганических диэлектриков различается. На переменном напряжении неорганика практически не стареет, т.к. в ней не происходит разложения материала и обуглероживание каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счет перемещения ионов разного знака к разным электродам. Органика на переменном напряжении стареет за счет ЧР, на постоянном напряжении практически не стареет.



Водный триинг (водный дендрит) - образование разветвленной микроструктуры в виде объемной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, состоящей преимущественно из воды. Характерен для полиэтиленовой изоляции кабелей, работающих во влажных условиях. Растет от точек входа воды вглубь промежутка под действием напряжения и воды. Диаметр водного дендрита - доли микрон. При разрастании структуры триинга до размеров половины промежутка или более, происходит пробой промежутка.

Обычно механизм выхода их строя твердой изоляции под действием напряжения представляется следующим. В порах возникают частичные разряды, они постепенно разрушают диэлектрик в прилегающей области, затем их амплитуда растет и, по достижению некоторого значения, скачкообразно происходит образование микродендрита. Затем ЧР происходят уже в дендрите, и после определенных воздействий, дендрит скачкообразно прорастает дальше вглубь промежутка. В конце концов происходит пробой всего промежутка. Для влажных условий водные дендриты начинают играть превалирующую роль, приводя к пробою при сравнительно низких напряжениях.

По сути дела, тепловой пробой возникает вследствие увеличения электропроводности диэлектрика с ростом температуры, которую обычно представляют в виде s T(s =0×)exp(aT-T(×0)), где a- температурный коэффициент зависимости. Механизм возникновения представляется следующим образом. Энерговыделение W в среде с напряженностью E и удельной проводимостью s в течении времени tD определяется джоулевыми потерями W = sE2tD. Это приводит к росту температуры DТ в соответствии с выражением W = с×dTD×, где с × удельная теплоемкость, d - плотность диэлектрика. Рост температуры сопровождается ростом электропроводности, что приводит к росту энерговыделения и т.п. В результате возникает ничем не ограниченный (при мощном источнике) рост температуры. Считается, (чисто математически) что пробой произойдет при достижении бесконечной температуры. Для одного частного случая, когда пренебрегается теплоотводом от диэлектрика во внешнюю среду получено известным российским ученым академиком Фоком выражение

Е = (с×d/(a s×(Т0)× t))1/2 (9.4)

Это выражение определяет температурную зависимость электрической прочности E(T0), ввиду зависимости s(Т0).

Экспериментально тепловой пробой твердых диэлектриков выявляется не только по виду температурной зависимости, но и по внешнему виду канала разряда. В этом случае обычно канал разряда расположен в центре образца и он имеет аккуратные гладкие стенки, характерные для проплавления диэлектрика.


Лекция 10


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница