Старение изоляции под действием электрического поля ( ионизационное старение)

Наиболее характерный тип - электрическое старение. Различают: электрическое старение, связанное с процессами электролиза, под действием постоянного напряжения в, в условиях повышенной влажности и температуры, и ионизационное старение, связанное с частичными разрядами (ч.р), возникающими в воздушных включениях неоднородной пористой изоляции. При постоянном напряжении напряженность распределена обратно пропорционально проводимости.

Поскольку проводимость твердого диэлектрика всегда выше чем проводимость воздуха, то включения оказываются более нагруженными, чем твердый диэлектрик.

;

Когда с ростом приложенного напряжения возрастает напряженность на воздушном включении до значения электрической прочности воздуха происходит пробой воздушного включения (ч.р). Продукты ионизации воздуха оседают на стенках включения параллельно электродам (см.рис.), двигаясь по или против поля и создают противополе Е_П. В результате напряженность во включении становится меньше электрической прочности воздуха и ч.р прекращается, поскольку нет оснований для пробоя.

Следующий ч.р может произойти либо когда уменьшиться Е_П, либо из-за эмиграции оседших электронов, либо, когда возрастет напряженность поля на воздушном включении за счет повышения приложенного напряжения.

Если приложенное напряжение постоянное, то отрезки , связанные с ионизированием противополя, оказываются достаточно большими, то есть при постоянном напряжении ч.р возникают редко.

Если после ч.р поменять полярность электродов на противоположную, то противополе будет складываться с внешним полем и суммарное поле окажется больше электрической прочности воздушного включения. Это приведет к тому, что сразу же произойдет новый ч.р. Таким образом, каждое новое переключение будет сопровождаться новым ч.р.

Частичные разряды на переменном напряжении

При переменном напряжении распределение напряженности электрического поля обратно пропорционально диэлектрической проницаемости:

В связи с этим на воздушном включении напряженность электрического поля всегда будет выше, чем на твердом диэлектрике.

U_В- напряжение, которое было бы на воздушном промежутке без ч.р;

U_З- напряжение зажигания ч.р;

U_П- напряжение погасания ч.р.

Частичный разряд произойдет тогда, когда нарастающее U_В достигнет U_З. Воздушное включение ионизируется, т.е становится проводящим и напряжение на нем падает до U_П. Т.к U_В продолжает увеличиваться, то напряжение на воздушном включении будет расти, повторяя ход кривой U_В, от величины U_П до U_З, затем снова произойдет ч.р и процесс повторяется до тех пор, пока синусоида не пройдет максимум и не начнет уменьшаться. Когда напряжение достигнет U_З противоположного знака произойдет ч.р. В дальнейшем напряжение на воздушном включении будет изменяться в соответствии с ходом синусоиды и каждое изменение на будет приводить к ч.р. Рассматривая рисунок приходим к выводам:

1. Число ч.р за полупериод изменения напряжения определяется тем, сколько раз укладывается в амплитудном значении напряжения U_В.

2. Число ч.р в единицу времени будет также зависеть от того, сколько периодов изменения напряжения укладывается в единицу времени, т.е растет с ростом частоты. Это открывает возможность для ускоренных испытаний на старение под действием ч.р. Увеличивая частоту получаем возможность достигнуть того же эффекта за меньшее время испытания.

3. Наиболее ч.р наблюдаются, когда приложенное напряжение изменяетяс наиболее резко (вблизи перехода через 0)

Механизм разрушения органических диэлектриков под действием ч.р длительно связывался только с процессом химического взаимодействия на диэлектрик продуктов газового распада.

Решающие работы по объяснению механизма разрушения были выполнены в Ленинградском политехническом институте Кучинским. Для проведения эксперимента использовались электроды впаянные в одной из чаш сообщающихся сосудов.

Опыт А. Пленка находится между электродами, в сосуде был воздух или О₂. Отмечено интенсивное разрушение пленки под действием ч.р.

Опыт Б. Пленка находится между электродами, в сосудах инертный газ или вакуум. Разрушение пленки под действием ч.р практически не наблюдается.

Опыт В. Пленка перемещалась в соседнюю колбу. При наличии ч.р между электродами продукты газового разряда могли воздействовать на пленку, но разрушение практически отсутствовало.

Вывод. Разрушение органических диэлектриков под действием ч.р обусловлено совместными воздействиями эффектов, связанных с бомбардировкой поверхности электронными лавинами и эффектов, связанных с взаимодействием возникающих свободных радикалов с продуктами газового разряда. Механизм разрушения разряда можно представить как :

А) при ударе электронной лавины о поверхность диэлектрика образуются местные микро-нагревы, температура которых достигает сотен градусов за счет кинетической энергии электронных лавин

Б) в результате полимерные цепи рвутся (термодеструкция) с образованием свободных радикалов

В) если процесс происходит в вакууме или инертном газе, то через некоторое время свободные радикалы реагируют между собой и полимерная цепь может восстановиться.

Г) если в окружающей среде присутствуют активные продукты газового разряда, то они взаимодействуют со свободными радикалами, фиксируя разрушение полимерной цепи. В результате на поверхности наблюдается эрозия, причем , возникая в каком-либо определенном месте, углубление начинает быстро расти. Из-за того, что электронные лавины проходя еще больший путь, отдают при разряде большую энергию и вследствие вызывают все большие разрушения. Внутри диэлектрика от поверхности полости в результате эрозия начинает развивать древовидный канал, поле резко искажается, на остриях резко возрастает плотность тока, что приводит у науглероживанию (выгоранию) органического диэлектрика и возникновению угольных дендритов, процесс завершается пробоем.