4.5 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.

Механизм пробоя жидких диэлектриков, содержащих примеси.

Наличие влаги (особенно в эмульгированном состоянии) в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность. Согласно теории, предложенной Гемантом, про­бой увлажнённой жидкости наступает вследствие образования цепочек из поляризованных мелких водяных капель. В электрическом поле круглые водяные капли поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий, принимая эллиптиче­скую форму. Удлинение капли можно характеризовать отно­шением их первоначального диаметра 2 к большой полуоси эллипсоида 2с.

Взаимодействие соседних капель приводит к их дальней­шему удлинению и образованию протяжённых цепочек. По этим цепочкам проходит ток, разогревающий воду до кипе­ния, в результате чего образуется газовый канал, по которо­му происходит пробой. Сравнивая результаты вычислений с экспериментальными данными, Гемант установил, что для возникновения пробоя достаточно, чтобы удлинение капли под действием поля составляло (60 – 70) % половины первона­чального расстояния между центрами капель. Дальнейшее удлинение и последующее слияние капель должно происхо­дить под влиянием взаимодействия соседних поляризован­ных частиц. Возникающее в этом случае искажение поля каплями приводит к столь большим напряжённостям вблизи капель, что появляется возможность развития ударной иони­зации и пробоя жидкости. Аналогичный процесс образования путей пробоя может иметь место при наличии в жидкости ионизированных пу­зырьков газа или примесей с повышенной проводимостью.

Тепловая теория электрического пробоя жидкости.

Вследствие возрастания проводимости жидкости в сильных полях происходит дополнительное местное вы­деление энергии. Такие процессы могут привести к местному испарению жидкости, образованию пузырьков и дальнейшему возникновению разряда вследствие ионизации газа в пузырьках. Это подтверждается экспериментальными данными: при повышении температуры жидкости до кипения её пробивное напряжение сильно снижается (см. рисунок 4.12), поэтому можно принять, что пробивной является такая напря­жённость поля, при которой начинается вскипание жидкости.

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 , а при переменном – тангенсом угла диэлектрических потерь tg . Так как с повышени­ем температуры величины , а в об­ласти повышенных температур – и величины tg растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение  или tg 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 равновесному состоянию 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 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  ∞ 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.