книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

нов в зоне проводимости, увеличению электронной проводимости ди­ электрика и его пробою.

Однако этот механизм возможен лишь в том случае, если электрон при своем движении в зоне проводимости и частичных потерях энергии при взаимодействии с решеткой может попасть в верхнюю часть зоны проводимости. Это возможно лишь при достаточно большом наклоне зон, т. е. при достаточно большой напряженности электрического поля.

Аналогичный процесс возможен вследствие перемещения электро­ нов в нормальной зоне. Так как этот процесс возможен лишь при на­ личии свободных мест в нормальной зоне («дырок»), то в данном слу­ чае следует рассматривать перемещение дырки (рис. 7.13, б), которая

Е Е

Рис. 7.13. Схема ударной ионизации при помощи электрона (а) и дырки (б)

движется от анода к катоду. Потеря энергии электроном соответст­ вует подъему дырки на более высокие энергетические уровни. При своем движении (при достаточно большом наклоне зон) дырка может

рехода на локальный уровень, перемещаясь сам в нижнюю часть нор­ мальной зоны. Такой случай возможен, если ширина нормальной зоны больше ширины запрещенного участка: W2-f-Wб,

е. Энергетический анализ электрической прочности

Существующие квантовомеханические теории пробоя твердых ди­ электриков позволяют производить численные расчеты электрической прочности лишь для диэлектриков простейшей структуры. Произвести подобные расчеты для большинства технических диэлектриков пока не представляется возможным как благодаря сложности расчетов, так и вследствие отсутствия необходимых для подобных расчетов исход­ ных данных.

130-

Ю. Н. Вершининым разработан метод количественного энергети­ ческого анализа импульсной электрической прочности твердых диэлек­ триков. Этот метод основан на следующих представлениях о физичесашх процессах, протекающих в разрядном промежутке. Процесс электрического пробоя начинается с эмиссии первичных носителей заряда из металлического электрода в диэлектрик (автоэлектронная эмиссия с учетом тепловых электронов — термоавтоэлектронная эмис­ сия). При отрицательной полярности острия происходит эмиссия электронов в зону проводимости, а при положительной полярности — дырок в нормальную зону. Механизм электронно-дырочной проводиімости приводит к возникновению на расстоянии в несколько сот микрон <от острия объемного заряда и, как следствие этого, области локального сильного поля с напряженностью, намного превышающей среднюю напряженность в разрядном промежутке.

Область локального сильного поля характеризуется сильным искривлением энергетических зон, в результате чего создаются усло­ вия для туннельных переходов в направлении к острию основных носителей заряда: электронов — к положительному острию и дырок — к отрицательному. Взаимодействие в процессе ударной ионизации электронов и дырок проводимости с электронами, участвующими в •образовании химических связей, приводит к нарушению соответст­ вующих связей и переходу твердого вещества диэлектрика в состояние частично ионизированной газовой плазмы в направлении движения потока носителей заряда. Образуется начальный участок первичного канала пробоя, потенциал электрода выносится в его головную часть, и далее процесс идет непрерывно до тех пор, пока этот канал не пере­ сечет весь разрядный промежуток.

При анализе возможности образования газовой плазмы рассмат­ ривается термодинамический баланс энергии в диэлектрике. Внутрен­ няя часть потока носителей заряда может быть рассмотрена как бы находящейся внутри внешней области, выполняющей роль оболочки, препятствующей обмену энергией между внутренней областью и ве­ ществом диэлектрика вне ее. Такая адиабатическая модель позволяет считать, что кинетическая энергия носителей заряда затрачивается только на изменение внутренней энергии диэлектрика в этой области. При этом для каждого диэлектрика имеет место такое минимальное значение необходимого изменения внутренней энергии единицы объема диэлектрика А с, при котором возникает начальный участок канала неполного пробоя. Таким образом, величина А с может рассматриваться как энергетический критерий пробоя диэлектрика.

Импульсная электрическая прочность (в кв) твердых диэлектриков

где /еп —коэффициент, учитывающий форму поля и полярность им­ пульса; kn— 1 для электродов (+ ) острие— плоскость; Ап= 1,52 для' электродов (—) острие— плоскость: kn= 1,82 для электродов шар — плоскость; kP= 0,75+0,ЪР— коэффициент, учитывающий вероятность пробоя в пределах Р (U ^ f/np) = 0,14-0,9; k(x, d) = 3,55d0,36äT~0,ii— коэффициент, зависящий от толщины диэлектрика d (в см) и времени

воздействия напряжения т (в мксек); Ас— удельная энергетическая характеристика диэлектрика (в ккал/см3); Ас является индивидуаль­ ным признаком твердого диэлектрика, и ее величина рассчитывается с учетом физических свойств и особенностей молекулярного строения диэлектрика. Она численно равна изменению внутренней энергии единицы объема твердого диэлектрика при его переходе в процессе

кивания в плотной газовой плазме; уа— плотность диэлектрика, г/см3;

физическими константами, которые приведены в соответствующих справочниках.

При расчете Ас диссоциация связей учитывается начиная с ми­ нимальных значений D и производится до тех пор, пока сохраняется условие £> ,< № пмин.

В качестве примера рассмотрим расчет электрической прочности полиэтилена толщиной rf = 0,01 см в слабонеоднородном поле при времени воздействия напряжения 1 мксек. Переход полиэтилена из твердого состояния в состояние частично ионизированной газовой плазмы может быть представлен в следующем виде:

водорода существенно меньшей энергией ионизации: соответственно

С—Н D2 = 81 ккал/моль, для связи С—С D3 = 80,5 ккал/моль. Учитывая, что молекулярный вес рассматриваемой группы, вхо­

дящей в состав молекулы полиэтилена, равен 28 г/моль, а удельная

№

плотность полиэтилена уд = 0,95 г[см3, в соответствии с формулой (7.22) имеем

Ае= (1,08-0,95/28) (2 • 128 + 2• 81 + 2 • 80,5 + 2 ■260) = 40,5 ккал/см*.

При этом 50%-ное импульсное пробивное напряжение полиэти­ лена в слабонеоднородном поле при d = 0,01 см и т = 1 мксек в со­ ответствии с (7.20)

Unv = 1,82 -1,0 • 3,55 • 0,01 °’308 -1,0- (40,5)1’1 = 70 кв,

а пробивная напряженность

£пр = — = ö7öT= 7-10® кв/см.

Соответствующие эксперименты дают для указанных толщин по­ лиэтилена £ пр = (6 ч - 7) ІО3 ке/слг, что достаточно хорошо соответст­ вует полученным расчетным данным.

§ 7. 4. ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении потери определяются проводимостью

Рассмотрим слой однородного диэлектрика толщиной d, находя­ щийся между бесконечными плоскими электродами (рис. 7.14). Со­ ставим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесному состоянию системы. В рассматриваемом случае из соображений симмет­ рии будет иметь место плоскопараллельное тепловое поле с градиентом

тепла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие диэлектри­ ческих потерь:

где k — коэффициент теплопроводности диэлектрика; уэ—эквивалент­ ная проводимость диэлектрика, 1/(ож-сж); для переменного напряже-

133

Так как теплоотдача системы в окружающую среду происходит через внешние поверхности электродов, то вся система симметрична относительно плоскости z = 0, где температура всегда максимальна

dT

1КС), и, следовательно, ^ = 0. Непрерывность потока

( ^ г = 0 — Т'макс/

тепла на поверхности электрод—диэлектрик дает первое граничное условие:

Второе граничное условие получается из непрерывности теплового потока на внешней поверхности электрода:

\z = ( d / 2 ) + ö

где Т 2—температура наружной поверхности электрода; Т 0—темпе­ ратура окружающей среды; X— коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности электрода в окружающую среду; 8Э—толщина электрода.

Кроме того, в электроде практически не происходит выделения тепла, поэтому градиент температуры в нем можно принять постоян­ ным; при этом температура в некоторой точке электрода с коорди­ натой z

от температуры воспользоваться приближенным выражением, ана­

з диэлектрике при его разогреве напряженность поля не зависит от координаты г. Это допущение можно считать справедливым для пере­ менного напряжения, для которого, пренебрегая током проводимости, имеем

е E —D = const,

134

а величина е для большинства технических диэлектриков слабо за­ висит от температуры при низких частотах.

В результате решения уравнения (7.25) получается зависимость между напряженностью и максимальной температурой в середине слоя диэлектрика (рис. 7.15). Наибольшая возможная по этой зависи­ мости напряженность является напряженностью теплового пробоя, так как незначительное повышение температуры приводит за счет нарастающего выделения тепла к ее неограниченному росту. Эта на-

пряженность и соответственно напряжение теплового пробоя могут быть выражены формулами:

график ф(с) в диапазоне значений параметра с, представляющем практический интерес.

При больших толщинах изоляции d и соответственно больших значениях с функция ф(с) стремится к пределу lim ф (с) = 0,662.

135

При постоянном напряжении должно выполняться условие у£ = = / = const. Проводимость у зависит от температуры Т и соответст­ венно от координаты г, следовательно, напряженность, поля Е из­ меняется по толщине диэлектрика, причем слон диэлектрика, бли­ жайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные. В этом случае напряженность и напряжения теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (7.31), в которых изменяется только функция ф(с):

Зависимость срі (с) приведена на рис. 7.16. При d->-оо (с->-оо) ве­ личина ф1(оо)->1,0. Повышение пробивных напряжений для посто­ янного напряжения при тех же d и уэ объясняется уменьшением на­ пряженности в центральной части диэлектрика, т. е. в области наи­ больших температур и развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика (kd<^:4k) на основании (7.31) и (7.32) имеем

т. е. пробивное напряжение пропорционально Yd, а пробивная на­

пряженность обратно пропорциональна Yd.

Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлектрике за счет потерь, равно количеству отводимого через электроды тепла, установившаяся температура в диэлектрике может оказаться слишком высокой. Раз­ рушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и тому подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода.

§ 7.5. РАЗРЯД ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ЖИДКОМ ДИЭЛЕКТРИКЕ

Основные характерные закономерности развития разряда по по­ верхности твердой изоляции одинаковы при жидкой и газообразной (воздушной) среде, окружающей твердый диэлектрик. Абсолютные ве­ личины разрядных напряженностей, как правило, значительно больше в случае жидкой среды, что связано с большей прочностью жид­ кости по сравнению с газом. При больших расстояниях соотношение меняется (рис. 7.17). Это объясняется тем, что при больших напряже­ ниях полному разряду предшествуют скользящие разряды, перекры­ вающие часть расстояния между электродами. В газе канал такого разряда быстро распадается, в жидкости же он сохраняется дольше. В ряде случаев он может сохраняться до момента начала следующего скользящего разряда (в течение того же импульса или того же полупериода напряжения), что облегчает продвижение нового разряда на большую длину в сторону противоположного электрода.

136

Величины напряжений скользящего разряда могут быть рассчи­ таны по (2.29). Эмпирические формулы имеют аналогичную структуру. Например, зависимость напряжения появления скользящих разрядов по поверхности Uai от толщины ди­

электрика d в масле

1,см

где А — постоянная, зависящая от природы и толщины диэлектрика. Например, при е1 = 4е0 и при толщине диэлектрика 1 мм, по опыт­ ным данным,

где ТУ —в кв; I— в см.

На рис. 7.18 приведены зависимости разрядных напряжений по поверхности от расстояния при различных толщинах диэлектрика для системы электродов по рис. 2.£5 при наличии нижнего электрода.

137

Для повышения разрядных напряжений применяются промежу­ точные конденсаторные обкладки, задающие принудительное распре­ деление напряжения по поверхности изоляции (см. § 15.4). Выполне­ ние изоляции с открытыми краями обкладок значительно повышает разрядное напряжение в масле (рис. 7.19).

§7.6. ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ИЗОЛЯЦИИ

а.Основные характеристики частичных разрядов

Понятие «частичные разряды» (ч. р.) в изоляции охватывает мест­ ные разряды на поверхности или внутри изоляции в виде короны, сколь­ зящих разрядов или частичных пробоев отдельных элементов изоля­ ции. Характеристики частичных разрядов в настоящее время явля­ ются определяющими для выбо­ ра допустимых рабочих и испы­ тательных напряженностей боль­ шинства конструкций внутрен­ ней изоляции при переменном напряжении. Методика измере­ ний ч. р. рассмотрена в § 17.6.

Каждый из единичных раз­ рядов сопровождается нейтрали­ зацией некоторого заряда q в толще диэлектрика. Возникно­ вение частичного разряда при­ водит к изменению напряже­ ния на внешних электродах

всего образца емкостью Сх на некоторую величину AUx=q44 ѴСх. Соотношения между q и q4, р определяются соотношениями между ем­ костью элемента диэлектрика С„, участвующего в частичном разряде, и емкостью элемента диэлектрика Сд, включенного последовательно с

напряжения на электродах на величину ДUx заканчивается одновре­ менно с погасанием частичного разряда, замыкавшего С„. В резуль­ тате из емкости Са ушел заряд на подзарядку последовательно соеди­

Величина q4_р называется кажущимся зарядом ч. р. Нейтрализа­ ция заряда q и связанное с этим изменение напряжения на образце приводят к появлению высокочастотных колебаний в схеме, в которую включен образец. Регистрация этих высокочастотных колебаний специальными усилительными устройствами позволяет исследовать частичные разряды в изоляции (см. § 17.6).

138

Для оценки интенсивности ч. р. может быть принята величина, равная произведению среднего значения заряда q4_р, теряемого в образце при одном импульсе, и среднего числа ч. р. в секунду пЧшр, которая называется током ч. р.: /,ь v=q4, рнч. .

Если плавно повышать напряжение на испытуемом объекте, то при некотором его значении £/н в изоляции появляются ч. р. слабой интенсивности. Это напряжение называется напряжением начальных частичных разрядов. При выдержке напряжения UHв пределах десят­ ков минут они могут прекращаться на некоторый промежуток вре­

стоит в том, что их появление при кратковременном воздействии не приводит к заметному разрушению изоляции и снижению Un. Дли­ тельное существование таких ч. р. определенной интенсивности (в течение тысячи часов и более) приводит к относительно медленному разрушению диэлектрика и сказывается на росте величины tg б изо­ ляции.

Если дальше повышать напряжение U > £УН, то при некотором его значении — напряжении критических частичных разрядоз Дкр — интенсивность ч. р. резко возрастает. Это приводит к заметному раз­ рушению некороностойкой изоляции, сопровождающемуся в ряде случаев быстрым (в течение секунд) снижением £/кр.

Таким образом, можно установить следующие виды частичных разрядов в изоляции: 1) начальные частичные разряды имеют слабую интенсивность и не приводят к заметному разрушению изоляции или уменьшению напряжения ч. р. при кратковременном воздействии; 2) критические частичные разряды имеют значительную интенсив­ ность и вызывают быстрое заметное разрушение некороностойкой изо­ ляции в ряде случаев, сопровождающееся снижением Дкр. Для каж­ дого из обоих видов ч. р. имеет место свое напряжение возникновения

инапряжение погасания.

б.Физическая природа частичных разрядов при переменном

напряжении

Частичные разряды в изоляции могут происходить как в местах. с пониженной электрической прочностью (например, в масляных прослойках бумажно-масляной изоляции), так и в газовых включениях

втолще диэлектрика. В дальнейшем для обоих случаев элемент диэ­ лектрика, участвующий в частичном разряде, будет называться «вклю­ чением».

Характерные осциллограммы ч. р. при переменном напряжении приведены на рис. 7.21.

Возникновение частичного рязряда произойдет тогда, когда напря­ жение на включении (см. рис. 7.20, емкость Св) достигнет пробивного значения £/ВіЭ.. Как показали опыты, пробивное напряжение воздуха

воткрытых и закрытых порах приблизительно одинаково; для поры толщиной 10 50 мкм величина пробивного напряжения соответст­

139