книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

ясняется ухудшением условий образования цепочек с длиной, соизме­ римой с расстоянием между электродами.

Влага и волокна оказывают весьма малое влияние на прочность жидких диэлектриков при кратковременных импульсах напряжения длительностью порядка единиц и десятков микросекунд. За такое короткое время частицы примесей не успевают переместиться на значительные расстояния и повлиять на развитие разряда в жидкости.

в. Влияние температуры и давления

Пробивное напряжение чистого сухого минерального масла прак­ тически не зависит от температуры в интервале от 15 до 80 °С. Для тех­ нического трансформаторного масла имеет место сложная зависимость

образование газовых пузырьков и приводит к снижению пробивного напряжения. Влияние температуры кипения (при изменении давления) на электрическую прочность жидкости иллюстрируется рис. 6.10,

по

Пробивная напряженность Епр при промышленной частоте для тех­ нически чистых жидкостей сильно зависит от давления (рис. 6.11). Эта зависимость подтверждает, что пробой связан с наличием или об­ разованием в жидкости при высоком напряжении ионизированных пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя.

В области избыточного давления 0 < .р < .6 am для трансформатор­ ного масла зависимость электрической прочности от давления может -быть представлена в виде Епр = 110(1+0,1 р) кв/см.

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

г. Влияние времени воздействия напряжения

Электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается с увеличением длительности приложения напряжения т. Чем больше примесей в жидкости (особенно влаги и волокон), тем сильнее прояв­

ность начинает снижаться вследствии влияния примесей, а также вслед­ ствие возможного образования в жидкости пузырьков газа. Например, в минеральном масле-в сильном электрическом поле электроны спо­ собны приобрести энергию порядка 3 зв, достаточную для разложения молекулы углеводорода с отщеплением атома водорода: 2 С„Н2л+2-> —<-С,„Н4„+2+ Н 2.

При толщине слоя масла между электродами около 1 см газовыделение'в масле происходит при напряженности порядка 100 кв!см.

Ш

д.Влияние формы и размеров электродов, расстояния между ними

иполярности напряжения

На рис. 6.13 и 6.14 приведены зависимости пробивных напряжений от расстояния для технического трансформаторного масла в сильно­ неоднородном поле (электроды стержень — плоскость) при напряжении постоянном, импульсном и промыш­ ленной частоты, а на рис. 6.15 — аналогичные зависимости в слабоне­ однородном поле (электроды шар —

112

при отрицательной полярности электрода с меньшим радиусом кри­ визны. Во всех случаях средняя пробивная напряженность падает с увеличением расстояния между электродами.

Для напряжения промышленной частоты и промежутка стержень — плоскость в трансформаторном масле может быть предложена следую­ щая эмпирическая формула:

(рис. 6.15). Они существенно зависят от объема масла между электро­ дами и от площади электродов, что объясняется статистическими осо­ бенностями развития■пробоя (см. § 15.1).

На рис. 6.16 приведена зависимость электрической прочности ми­ нерального масла от его объема при малом расстоянии между элек­ тродами.

§ 6.5. МЕХАНИЗМ ПРОБОЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

а. Влияние воды пли пузырьков газа

Опытные данные показывают, что присутствие влаги в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность, причемнаиболее опасным является эмульгированное ее состояние.

Пробой увлажненной жидкости наступает вследствие образования цепочек из поляризованных мелких водяных капель. В электрическом поле круглые водяные капельки поляризуются- и вытягиваются вдоль силовых линий, принимая эллиптическую форму. Взаимодействие со­ седних капелек приводит к их дальнейшему удлинению и к образо­ ванию протяженных цепочек. По этим цепочкам проходит ток, разо­ гревающий воду до кипения, в результате чего образуется газовый канал, по которому происходит пробой.

Аналогичный процесс образования путей пробоя может иметь ме­ сто при наличии в жидкости ионизированных пузьфьков газа или при­ месей с повышенной проводимостью.

б.Теория пробоя вследствие ударной ионизации электронами

Втеории пробоя жидких диэлектриков удается применить многое из того, что ранее было получено при исследовании электрической прочности газов (например, роль искажения поля объемными заряда­ ми). С другой стороны, ряд физических процессов в жидких диэлектри­ ках ближе к явлениям, возникающим при пробое твердых диэлектри­ ков, так как различие между твердыми веществами и жидкостью мень­ ше, чем между жидкостью и газом. Это относится к процессам рассеи­ вания энергии электронов в жидкости, эмиссии электронов с поверх­ ности катода и др.

ИЗ

В очищенных жидкостях в основе механизма пробоя лежат три 'фактора: 1) ударная ионизация электронами и образование простран­ ственного заряда в жидкости; 2) эмиссия электронов с поверхности катода; 3) образование пузырьков газа в жидком диэлектрике, кото­ рые деформируются в поле и способствуют полному пробою.

Образование газовых пузырьков может иметь место как за счет разложения углеводородов жидкого диэлектрика, так и за счет вски­ пания жидкости под воздействием выделяемой энергии («тепловая» теория). Для тонких масляных пленок при их толщине, соизмеримой •с длиной лавины электронов в масле (порядка долей миллиметра), первые два фактора являются определяющими.

Рассмотрим развитие пробоя жидкого диэлектрика вследствие удар­ ной ионизации электронами. Для развития процессов ионизации в жидком диэлектрике большую роль играет образование положитель­ ного объемного заряда у катода, вызывающего увеличение плотности тока эмиссии. Этому способствует высокая напряженность электри­ ческого поля во всем межэлектродном промежутке и особенно вблизи катода, величина которой намного превосходит соответствующие значения для разряда в газах, достигая 1000 квІсм и более. Для авто­ электронной эмиссии зависимость плотности электронного тока у ка­ тода /к от напряженности поля у катода Ек подчиняется выражению (6.16). При достаточно высокой Ек в жидком диэлектрике в однородном поле может возникнуть нестационарный режим: увеличение поло­ жительного объемного заряда у катода приводит к весьма быстрому нарастанию тока автоэлектронной эмиссии с поверхности катода, что в свою очередь увеличивает плотность объемного заряда и т. д. В ре­ зультате возникают условия для неограниченного увеличения плот­ ности тока и пробой жидкого диэлектрика.

Рассмотрим образование такого нестационарного режима для ма­ лых межэлектродных промежутков. Для упрощения будем считать, что плотность тока эмиссии одинакова по всей поверхности катода. Влияние прилипания электронов к молекулам на развитие разряда при небольшом расстоянии между электродами мало и можно прене­ бречь отрицательными ионами как в выражении для плотности тока, так и при рассмотрении искажения поля объемными зарядами. Плот­ ность электронного тока на расстоянии х от катода с учетом искажения

114

На основании (6.32) плотность отрицательного объемного заряда.

Учитывая (6.33) и (6.34), определяем плотность положительногообъемного заряда:

В рассматриваемом случае принимаем, что искажение поля объем­ ными зарядами происходит только в направлении электрическогополя по. оси х. На основании закона Пуассона

Для качественной оценки явления сделаем предположение, что увеличение поля АЕ за счет объемных зарядов значительно меньше средней напряженности Дср:

ударной ионизации а, выражение (6.42) после преобразований при­ нимает вид

Как по (6.45), так и по (6.46) напряженность поля у катода Ек растет линейно с ростом /к. В установившемся режиме величины

115

j K и Ек должны удовлетворять как выражению (6.16), так и выра­ жению (6.45) или (6.46).

Наглядно это можно представить графически в координатных

Изложенная теория пробоя жид­ ких диэлектриков на основе ударной ионизации электронами дает достаточ­ но хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений пробив­ ных напряженностей для малых межзлектродных промежутков в чистых жидкостях.

в. Механизм пробоя больших промежутков в жидкости

В первой стадии развития про­ боя определяющее значение имеет автоэлектронная эмиссия. Она воз­ никает либо с катода при развитии

разряда с отрицательного электрода, либо с поверхности частичек примесей у анода при развитии разряда с положительного электрода., Меньшая работа выхода электронов с поверхности катода в первом случае приводит к тому, что начальные лавины электронов возникают у катода при меньших напряженностях электрического поля, чем у анода. Дальнейшее прорастание канала разряда в длинных искровых промежутках чаще всего происходит со стороны положительного элек­ трода и обеспечивается главным образом за счет процессов ударной ионизации и фотоионизацни в слое жидкости, прилегающем к стенкам канала разряда.

Перед пробоем в межэлектродном промежутке происходят местные разряды типа стримеров, вызывающие импульсы тока в цепи. В люминесцирующих жидкостях импульсы тока сопровождаются вспышками света. Эти разряды развиваются в различных направлениях вдоль силовых линий поля, созданного объемным зарядом, сосредоточенным в канале продвигающегося разряда. Каждый местный разряд образует новый участок канала, заполненный ионизированным газом. Когда одна из ветвей прорастающего таким образом канала достигает про­ тивоположного электрода, происходит пробой промежутка.

При большом расстоянии между электродами в жидкости, как и в газе, образование разрядного канала производится стримерами и ли­ дерами, идущими от анода. Пробои происходят тогда, когда один из лидеров достигает противоположного электрода. Скорость продви­ жения лидера в неполярных диэлектриках (трансформаторное масло) составляет примерно 1000 см/сек. Свечение канала лидера имеет пре-

116

рывистый характер. Каждой вспышке соответствуют импульсы тока с амплитудой около 0,1 а в неполярных и около 5 а в полярных жид­ костях (рис. 6.18, а и б). Под воздействием лавин в жидкости образу­ ются пузырьки, удлиненные по направлению к аноду, состоящие из ионизированных газов, возникающих вследствие разложения молекул жидкости под воздействием заряженных частиц. Серия последовательно развивающихся лавин, сдвинутых в пространстве и времени, образует канал,-заполненный ионизированным газом.

Рис. 6.18. Фоторазвертки и осциллограммы тока I и напряжения U разрядов в масле (а, 6) и схема развития лидера (а):

сопротивление в разрядном контуре 10е ом (а) и 104 ом (б); л — лидер­ ная фаза; п — повторные пробои; о — дуга; п. о — повторные пробои и обрыв дуги

Толчкообразность развития канала лидера обусловливается осо­ бенностями образования объемного заряда перед головкой лидера. Объемный заряд, имеющий полярность электрода, с которого разви­ вается лидер, снижает напряженность поля на головке лидера в точке А (рис. 6.18, в), что приводит к прекращению ионизационных процес­ сов вблизи точки А и остановке лидера. Дальнейшее развитие лидера происходит при повышении напряженности на его головке (точка А) как за счет смещения объемного заряда от головки лидера в направле­ нии противоположного электрода, так и за счет его нейтрализации подтекающими электронами. Это сопровождается протеканием тока через лидерный канал и вспышкой свечения по всей его длине.

Картина развития пробоя в сильнонеоднородном поле в основных чертах одинакова при положительной и отрицательной полярностях

117

электрода с большей кривизной поверхности. Величина пробивногонапряжения (импульсного и постоянного) значительно больше при отрицательной полярности, чем при положительной.

ГЛАВА VII. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА В ТВЕРДЫХ II КОМБИНИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

§ 7.1. ПРОВОДИМОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ в си льн ы х ПОЛЯХ а. Ионная проводимость твердых диэлектриков

Физическая природа ионной проводимости в твердых диэлектриках в основном такая же, как в жидких диэлектриках (см. § 6.2), но обла­ дает некоторыми специфическими особенностями.

В твердом теле с кристаллической структурой возможны следующие состояния ионов: 1) ион находится в узле кристаллической решетки,, при этом энергия иона равна 2) ион находится в междуузлин в полуустойчнвом состоянии, при этом энергия иона W£>WX\ 3) ион отсут­ ствует, т. е. имеется свободный узел решетки.

Полуустойчнвые состояния ионов в твердом теле объясняются воз­ можными нарушениями кристаллической решетки, а также наличием примесей. Ион в междуузлин находится в более свободном состоянии, так как потенциальный барьер между двумя положениями в междуузлии меньше, чем потенциальный барьер между узлами кристалли­ ческой решетки.

Обозначим через Wa потенциальный барьер, разделяющий два соседних положения иона в междуузлин. Тогда по аналогии с (6.6)

Эффективная подвижность ионов с учетом вероятности перехода

В ряде случаев в проводимости твердого диэлектрика участвуют ионы разного рода. При этом ионная проводимость определяется суммой соответствующих составляющих:

Так же как и для жидких диэлектриков, ионная проводимость прак­ тически не зависит от напряженности вплоть до предпробивных полей.

118

б. Электронная проводимость твердых диэлектриков

Электрон может существовать только в определенных дискретных состояниях, которые называют энергетическими уровнями. Переход •с одного энергетического уровня W2 на другой W1 связан с испуска­ нием (если W2>~Wi) или поглощением (если 1F2< Wх) энергии в виде ■световых колебаний, частота которых ѵ определяется из равенства

W3— W!= Лѵ.

Электрон в изолированном атоме, обладающий полной энергией Wt (рис. 7.1, а), находится на расстоянии г ^ .г макс от центра ядра. При этом г — гшкс, если энергия WKэлектрона равна нулю (потенци-

Рис. 7.1. График энергии электрона в изолированном атоме (а) и в одно­ мерной цепочке атомов (б)

альная энергия электрона внутри атома отрицательна). Для того чтобы электрон, находившийся на уровне Wг, мог выйти за пределы атома, ему должна быть сообщена энергия А I WM (Wi<l 0). Для кри­ сталла как полная энергия каждого из электронов, так и его потен­ циальная энергия будут обусловлены всеми атомами решетки. В этом случае потенциальная энергия системы является периодической функ­ цией координат с периодом, равным расстоянию а между узлами ре­ шетки (рис. 7.1, б). Если электрон с полной энергией Wx не может вый­ ти за пределы изолированного атома,то в кристалле он может переме­ щаться вдоль координаты х. Одинаковые прежде уровни энергии вслед­ ствие разницы во взаимодействии каждого из электронов со всеми ча­ стицами системы оказываются несколько различными. В этом случае для всей системы по-прежнему должен быть удовлетворен принцип Паули, т. е. на каждом уровне должно быть не более двух электронов (с разными спинами).

Если в кристалле число атомов равно г, то в системе каждый уро­ вень расщепляется на z близких, но несколько различных уровней (рис. 7.2), причем для одномерной модели кристалла длиной L имеем z —Ыа. Таким образом, каждый уровень превращается в зону уровней. Вне зависимости от размеров кристалла L и числа элементарных уров­ ней в зоне для каждой зоны постоянными остаются ее ширина Д№ \=

— И71макс— и смещение среднего уровня зоны относительно уровня изолированного атома ах, а также высота запрещенного участ­ ка W6 между верхним уровнем нижней зоны и нижним уровнем верх­ ней зоны. Обычно верхняя зона АЙ7Ь на которую распался верхний уровень, называется зоной проводимости. Электрон, находясь в пре-

119