книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

Ударная ионизация происходит за счет кинетической энергии летящей частицы в результате ее соударений с нейтральными и возбужденными атомами. Наибольшее значение имеет ионизация нейтрального атома электроном, перемещающимся с большой ско­ ростью под воздействием поля; ионизация атома происходит в ре­ зультате нескольких последовательных столкновений атома с электронами. После каждого столкновения энергия атома воз­ растает (ступенями), он становится все более возбужденным и, наконец, из атома образуются свободные электрон и ион. Такая ионизация называется ступенчатой.

Расстояние, пройденное частицей (электроном или ионом) между двумя столкновениями, носит название длины свободного пробега. На этом пути происходит накопление энергии при уско­ ренном движении; поэтому энергия частицы, а следовательно, ее

излучения. Фотоны, вызывающие ионизацию, могут появляться не только извне от постороннего источника, но и образовываться в самом газе при переходе возбужденных атомов в нормальное состояние или при рекомбинации, когда образование нейтраль­ ных молекул из разноименных ионов сопровождается излучением. При этом также возможна ступенчатая ионизация, когда фотоны, выделившиеся при переходе возбужденных молекул в нормальное состояние, не могут сразу ионизировать молекулу.

Термическая ионизация возникает при высокой температуре в результате соударений между молекулами, от теплового излу­ чения и в результате соударений между молекулами и электро­ нами, появившимися от первых двух процессов.

Поверхностная ионизация возникает за счет освобождения электронов из электродов, т. е. путем эмиссии. Энергия, необходи­ мая электрону для выхода из металла, может сообщаться ему в результате: нагревания электрода; бомбардировки поверхности электрода частицами (например, положительными - ионами), ко­ торые могут передать свою энергию электронам; облучения по­ верхности электрода, причем электронам металла передается энергия фотонов; наложения внешнего сильного поля (холодная эмиссия).

Предпосылкой для развития пробоя служит наличие некото­ рого количества свободных электронов или ионов. Электрическое поле вызывает появление составляющей скорости ионов и электро­ нов в направлении поля. Электрон, двигающийся значительно бы­ стрее иона, на протяжении длины свободного пути накапливает энергию и при столкновении с нейтральным атомом возбуждает его. Последующие столкновения этого атома с другими электро­ нами увеличивают его энергию, пока не наступит ионизация. Вырвавшийся из этого атома электрон в свою очередь начнет

30

двигаться к аноду, возбуждая и ионизируя на своем пути ней­ тральные атомы.

Начавшийся процесс ударной ионизации развивается лавино­ образно. В процессе развития пробоя происходят не только мно­ гократные явления ударной ионизации, но и явления рекомбина­ ции, сопровождающиеся излучением фотонов и фотоиононизацией в прилегающих областях; потоки фотонов и положительных ионов, падая на катод, вызывают поверхностную ионизацию. Все эти виды ионизации, переплетаясь между собой, вызывают обра­ зование ветвистого канала разряда и заполнение его большим числом свобод­ ных электронов и ионов. К характерным особенностям электрической формы про-ч боя относятся практическая независи­ мость пробивного напряжения от тем­ пературы диэлектрика и длительности воздействия напряжения (за исключе­ нием области очень коротких промежут­ ков времени порядка долей микросекунд и менее).

Напряжение при электрической фор­ ме пробоя существенно зависит от сте­ пени неравномерности поля. В равномер­ ном поле пробой требует более высокого напряжения, чем при неравномерном, и наступает мгновение (10-7 сек при рас­ стояниях около 1 см между электрода­ ми). При неравномерном поле начинает­ ся частичный пробой в области, распо­ ложенной около электрода, где напря­

женность поля превосходит некоторое критическое значение; по мере повышения напряжения ионизация захватывает все боль­ шую часть промежутка. Поэтому в условиях неоднородного поля пробивное напряжение при том же расстоянии меньше, чем при однородном (рис. 3-1).

Электрическая форма пробоя наблюдается в газах. Однако и в жидких и твердых однородных диэлектриках при температурах ниже определенной величины закономерности пробоя аналогич­ ны с наблюдаемыми в газах. Поэтому допускают и здесь при этих условиях возможность электрической формы пробоя, особенно при импульсах. Появление «начальных» электронов объясняется элек­ тростатической ионизацией и туннельным эффектом под воздей­ ствием поля.

3-3. ЭЛЕКТРОТЕПЛОВАЯ ФОРМА ПРОБОЯ

Главным процессом при этой форме пробоя является прогрес­ сирующее повышение температуры изоляции в электрическом поле, вызванное диэлектрическими потерями. Поэтому пробой,

31

обусловленный выделением в диэлектрике тепла за счет диэлек­ трических потерь, называют электротепловым пробоем. Тепловое равновесие в диэлектрике в этом случае не может установиться и в известном объеме (канале) возникает его расплавление, обуг­ ливание и т. п. Предпосылками развития теплового пробоя являются большие диэлектрические потери и плохой теплоотвод (большая толщина изоляции, высокая окружающая температура и т. п.). Монотонное повышение температуры при напряжении, вызывающем тепловой пробой, происходит вследствие того, что диэлектрические потерн больше мощности, отводимой от изоляции в окружающую среду. К тому же эти потери обычно возрастают

Рис. 3-2:

а) температурные зависимости диэлектрических потерь (/ и 3) и отводимой мощности (2); б) зависимость температуры в диэлектрике от времени при равновесном состоянии (4) и неравновесном (5)

по мере нагревания диэлектрика, так как tg5 увеличивается с ро­ стом температуры t. Если принять

вует неустойчивому тепловому равновесию. При случайном крат­ ковременном повышении напряжения или частоты потери оказы­ ваются больше отводимой мощности и температура начнет непре­ рывно возрастать вплоть до наступления пробоя. Если потери уве-

32

личиваются при режиме, отвечающем точке а, то отводимая мощ­ ность оказывается больше потерь, температура начнет понижаться и снова станет равной t\. Тепловое равновесие вовсе не наступает, если кривая P(i) не пересекается с прямой Рот ((); это имеет место, например, при более высокой частоте.

пр. пане.

Рис. 3-3. Температурная (а) и временная (б) зависимости пробив­ ного напряжения при электротепловой форме пробоя:

/ — лакированная бумага; 2 — фарфор; 3, 4 — гетинакс толщиной 0,6 и 0.3 л-11

К основным закономерностям теплового пробоя относится за­ висимость пробивного напряжения от температуры. С ростом темг пературы пробивное напряжение падает, так как затрудняется

тренней сильно нагретой обла­ стью и поверхностью изоляции. При данной температуре окружаю:

щей среды пробивная напряженность поля для относительно тол­ стой изоляции будет ниже, чем для тонкой.

В отличие от электрической формы пробоя процессы разогре-

вания материала, лежащие в основе электротеплового пробоя, требуют времени. Поэтому появляется зависимость пробивного напряжения Unp от длительности его воздействия т; в известных пределах Uпр снижается с ростом х. Чем толще изоляция, тем бо­ лее отчетливо проявляется эта зависимость (рис. 3-3).

Наконец, следует указать и на влияние нагревостойкости ди­ электрика. Электротепловой пробой связан с тепловым разруше­ нием материала, поэтому чем выше температура, при -которой на­ чинается такое разрушение, тем при прочих равных условиях должно быть выше и пробивное напряжение. Органические изоляционные материалы вследствие их относительно невысокой на­ гревостойкости характеризуются в общем более низкими значе­ ниями электрической прочности при повышенных температурах, чем неорганические.

3-4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ФОРМА ПРОБОЯ

Главными процессами при этой форме пробоя являются хими­

в электрическом поле, вызывают последующие процессы разви­ тия электрического или электротеплового пробоя. Этот сложный характер явлений привел к необходимости выделить эту форму пробоя. Таким образом, пробой, обусловленный химическими про­ цессами в диэлектрике или в окружающей его среде, происходя­ щими под действием приложенного к диэлектрику напряжения, называют электрохимическим пробоем.

Электрохимический пробой наблюдается в технических жидких диэлектриках и проявляется в основном при постоянном напряже­ нии. Жидкий диэлектрик под воздействием электрического поля разогревается в областях с наибольшей проводимостью и в резуль­ тате этого разлагается с образованием газообразных продуктов. Газовые пузырьки ионизируются; ионизированный газ можно упо­ добить веществу с большой диэлектрической проницаемостью; по­ этому в электрическом поле ионизированные пузырьки вытяги­ ваются вдоль поля и при известных условиях замыкают электроды. С повышением температуры пробивное напряжение уменьшается, так как при нагреве облегчается разложение жидкости с образова­ нием газообразных продуктов. Процесс ионизации появившихся газовых пузырьков при понижении давления ниже атмосферного облегчается из-за увеличения длины свободного пробега электро­ нов (электрическая форма пробоя). Поэтому приуменьшении дав­

ными представлениями. К ним примыкает и теория, связывающая пробой технического жидкого диэлектрика с наличием примесей; примеси, обладающие более высокой диэлектрической проницае­ мостью (вода, насыщенные влагой волокна и т. -п.), втягиваются

34

в промежуток между электродами и располагаются цепочками вдоль силовых линий; эти цепочки обладают повышенной-проводи­ мостью. При повышении напряжения ток, идущий по этим цепоч­ кам, настолько увеличивается, что масло разлагается с образова­ нием газов; возникает газовый канал, в котором и развивается пробой. Образование газовых пузырьков может быть обусловлено и не разогревом, а происходить в результате химических реакций под действием электрического поля. Эти реакции сопровождаются изменением вязкости и других свойств, а также выделением газо­ образных продуктов.

Из изложенного видно, что пробой жидких диэлектриков вы­ зван сравнительно медленными процессами. Поэтому пробивное напряжение увеличивается, если длительность его воздействия снижается, начиная от 10-2 сек (при импульсах). Рассмотренные представления дополнительно подтверждаются тем, что барьер, установленный в масле, повышает электрическую прочность при однородном поле примерно на 50%, а при неравномерном поле—■ на 10 0 % и более; это повышение объясняется в первую очередь ограничением тока по проводящим цепочкам. Дополнительные экспериментальные данные по пробою жидких диэлектриков за­ ставляют предполагать, что, помимо разложения жидкости (дис­ социации) под действием поля, существенную роль в сильных полях играют и холодная эмиссия электронов из катода и удар­ ная ионизация электронами, которая происходит за счет электро­ нов, входящих в жидкость из катода.

Электрохимический пробой может развиваться и в некоторых, твердых диэлектриках при длительном воздействии напряжения,, когда в них происходит электролиз или диффузия ионов из элек­ тродов. Такие процессы наблюдаются, например, в стекле при по­ стоянном напряжении и повышенной температуре и влажности, В результате этих процессов наступает пробой. Очевидно, и в этом случае пробивное напряжение должно снижаться с повышением температуры.

Электрохимический пробой несколько иного вида развивается при длительном воздействии напряжения в керамике на основе двуокиси титана (ТЮг). Благодаря ионизации молекул газа в по­ рах этой керамики образуется озон и в условиях нагрева проис­ ходит восстановление двуокиси титана; появление низковалент­ ных окислов сопровождается снижением электрической прочности,

3-5. ИОНИЗАЦИОННАЯ ФОРМА ПРОБОЯ

Главными процессами при этой форме пробоя являются дли­ тельная ионизация молекул во включениях и ее эффекты в твер­ дой изоляции. Появляющиеся изменения в строении изоляции н продукты ионизации вызывают при неблагоприятных условиях пробой. Возможно также, что результатом интенсивной ионизации явится сильное тепловыделение в месте ионизации, нарушение

теплового равновесия и тепловой пробой. Таким образом, пробой, обусловленный длительной ионизацией включений в диэлектрике и сопровождающими ее процессами под воздействием прило­ женного напряжения, называют ионизационным пробоем. Иониза­ ционный пробой может 'возникнуть при наличии в твердом диэлек­ трике различных включений и если напряженность поля во вклю­ чении достигла пробивного значения, тогда как поле в твердой изоляции еще неопасно для нее. Такие условия могут сложиться, с одной стороны, ввиду более высокой электрической прочности твердого диэлектрика, чем выключения (воздух и др.) и, с другой стороны, из-за неблагоприятного распределения напряжения между включениями и остальной частью изоляции. Подобные включения образуются как при изготовлении изоляции, так и в процессе эксплуатации; они появляются, например, при удале­ нии растворителя в лаках, при расслоении от механических со­ трясений, после сильных нагревов изоляции (при коротких замы­ каниях в кабельных сетях) и от других причин. В газовых

.включениях в результате ионизации создаются потоки электро­ нов и ионов, которые каждый полупериод устремляются на стенки включения. Поверхность полости (включения) становится прово­ дящей, а ее размеры постепенно увеличиваются из-за разрушения материала. Диэлектрические (ионизационные) потери вызывают также повышение температуры материала; возможно нарушение теплового равновесия.

В маслянобумажной изоляции при сильных полях возможно накопление ионов, содержащихся в масле, на пограничной поверх­ ности, т. е. на клетчатке. При этом поле может настолько сильно исказиться ионами, что начнется ударная ионизация молекул мас­ ла, в результате чего появится газовый пузырек, который, в свою очередь, будет ионизирован. Последующие процессы аналогичны тем, которые развиваются в газовых включениях.

Следует подчеркнуть, что при ионизации включений сквозной канал не образуется из-за наличия неповрежденного материала, окружающего включение. Существенную роль при развитии, про­ боя играют токи утечки по проводящей поверхности включения; эти токи оставляют на бумаге следы в виде ветвистых побегов. Другая особенность состоит в том, что канал разряда во включе­ нии меняет свое место — «бегает» по поверхности, окружающей включение, и существует лишь короткое время, когда напряжение на включении достигает величины пробивного напряжения. После возникновения разрядного канала напряжение на нем падает, ионизация прекращается и разряд может снова возникнуть в дру­ гом месте включения.

При ионизации органических включений происходит разруше­ ние пропиточных составов, в результате которого образуется во­ дород и появляется влага, адсорбирующаяся на поверхности, окружающей включение; при ионизации газовых включений обра­ зуются озон и окислы азота, дающие с водой кислоты, которые

'36

■создают на поверхности, окружающей включение, проводящий слой. В результате поверхность, отделяющая включение от твер­ дого диэлектрика, приобретает значительную проводимость. Во время ионизации на этой поверхности возникают токи, подпиты­ вающие канал разряда и разрушающие твердый диэлектрик. Та­ ким образом, ионизации во включениях сопутствуют физико-хи­

этом характерной являются падающая зависимость Unp (рис. 3-5) от времени (десятки секунд или минут). Наличие ионизации в бу­ магомасляной изоляции с интенсивностью порядка 10-9 кул/сек (при емкости образца около 1000 пф) сопровождается ростом tg& со временем, что свидетельствует о прогрессирующем старении изоляции. При слабой интенсивности (менее 3-10-10 кул/сек) никаких изменений в изоляции не происходит.

ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3

1. Какие процессы лежат в основе электрической формы пробоя и в каких диэлектриках он наблюдается?

2. Каково влияние формы поля на электрическую прочность при электри­ ческой форме пробоя?

3. В каких диэлектриках наблюдается электротепловой пробой и каковы за­

в диэлектриках? От каких факторов зависит напряжение при ионизационном пробое?

37

ГЛАВА 4

ВЛАГОСТОЙКОСТЬ И НАГРЕВОСТОЙКОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электроизоляционные материалы выполняют зачастую и кон­ структивное назначение поэтому, помимо электрических свойств (е, у, tg 8, Епр), необходимо принимать во внимание их механиче­ ские и физико-химические свойства. К механическим характери­

сти при растяжении (ор) сильно возрастает с уменьшением сече­ ния образца; примером может служить стекловолокно. Механиче­ ская прочность диэлектриков падает с повышением температуры. Под нагрузкой материал деформируется. Способность к пласти­ ческой деформации характеризуют пределом текучести os — меха­ ническим напряжением, вызывающим при кратковременной на­ грузке остаточную деформацию 0,2%. Если нагрузка воздействует продолжительное время, то нередко появляется остаточная дефор­

грузки т заданную деформацию е (%); величина заданной дефор­ мации и время т зависят от свойств материала и условий работы изделия.

К наиболее важным физико-химическим характеристикам от­

риала.

Механические и физико-химические свойства диэлектриков играют весьма важную роль при выборе и расчете изоляции, так же как и других материалов.

38

Отличительной особенностью электроизоляционных материа­ лов является изменение их электрических, а иногда и других свойств при изменении их температуры и влажности окружаю­ щего воздуха. Зачастую приходится отказываться от применения материала с высокими электрическими свойствами из-за того, что при сравнительно небольшом повышении температуры (до 70— 80° С) материал начинает деформироваться; примером может слу­ жить полистирол. В других случаях приходится предусматривать особые меры защиты диэлектриков от воздействия влаги. Поэто­ му следует уделять внимание свойствам влагостойкости и нагревостойкости, которые необходимо постоянно учитывать при экс­ плуатации диэлектриков в электротехнических устройствах.

4-1. ВЛАГОСТОЙКОСТЬ

Находящаяся в атмосфере влага сильно сказывается на свой­ ствах (в первую очередь электрических) большинства изоляцион­ ных материалов. Влажность воздуха оценивают обычно при по­ мощи относительной влажности <р. Эта величина представляет со­ бой отношение количества влаги, содержащейся в единице объема воздуха q, к тому количеству водяных паров qo, которое при дан­ ной температуре насыщает пространство

Ч = -3 - 100.

?0

Нормальным, условиям отвечает относительная влажность <р = 65 % при температуре t= 20° С. Вода является сильно полярным

проводность, обусловленную, с одной стороны, термической диссо­ циацией ее молекул, а с другой, — электролитической диссоциа­ цией примесей. Электропроводность чистой воды составляет вели­ чину т = 1СН0 ом~1-с лг \ а при содержании всего лишь 0,07% КС1 электропроводность возрастает до 7 - 10-5 ом~1■см~1 (при i=18°C). С повышением температуры электропроводность воды резко увеличивается. Тангенс угла потерь, который, как и у всех полярных диэлектриков, зависит от температуры и частоты, при нормальной температуре и частоте 105 гц может составлять tg 8= = 1,6. Исходя из указанных свойств воды, нетрудно понять, почему проникновение влаги в изолирующие материалы сопровождается снижением их электрических свойств.

Воздействие влажной атмосферы

Процесс поглощения влаги изоляционными материалами об° условлен рядом факторов.

Пористость. Изучение различных материалов показывает, что размер пор dnop может колебаться в широких пределах.

39