Каф. ЭИКТ ЭЛТИ

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Г.А. Воробьев, Ю.П. Похолков,

Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов

Физика диэлектриков

(область сильных полей)

Учебное пособие

Издательство ТПУ

Томск 2003

1

В пособии изложены основные сведения по физике газового разряда, включая ВЧ-, СВЧ- и оптический пробой. Рассмотрены теоретические представления о механизме пробоя твердых и жидких диэлектриков, процессах их старения и представлены некоторые экспериментальные данные об особенностях их пробоя в зависимости от различных факторов. Пособие предназначено для студентов направления «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» и может быть полезно специалистам, занимающимся проектированием высоковольтных конструкций.

УДК 621.315: 537.226

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор ТГАСУ

Г.Г. Волокитин

Доктор физико-математических наук, профессор ТГАСУ

Л.А. Лисицина

2

Каф. ЭИКТ ЭЛТИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Известно, что все вещества по электрическим свойствам подраз-

деляются на проводники, полупроводники и диэлектрики. Последние, пожалуй, являются наименее изученными. По физике пробоя диэлектриков имеются многочисленные монографии. Из них наиболее фундаментальными являются монографии В. Франца (1961 г.) и Г.И. Сканави (1958 г.). Но эти книги уже устарели, и их объем выходит за пределы программ учебных дисциплин вузов. Кроме того, эти книги стали библиографической редкостью и практически недоступны для студентов.

Известны также книги А.А. Воробьева, Ю.П. Райзера, Г.С. Кучинского, Б.И. Сажина, В.Я. Ушакова, Ю.Н. Вершинина и др., в которых отражены отдельные вопросы пробоя газообразных, твердых или жидких диэлектриков. Поэтому эти книги могут быть использованы студентами только для более углубленного изучения отдельных разделов курса, но не как учебное пособие. Широко известна книга Г.А. Воробьева (1977 г.) по физике диэлектриков (область сильных полей), которая пользуется спросом у студентов, но в настоящее время она также стала библиографической редкостью и требуется ее переиздание.

В основу представляемого пособия взята уже упомянутая книга Г.А. Воробьева, а также материалы лекций по курсу «Физика диэлектриков (область сильных полей)», которые читаются на протяжении многих лет Ю.П. Похолковым и В.И. Меркуловым для студентов специальности «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» в Томском политехническом университете. При написании отдельных разделов по пробою газов, были использованы материалы, предоставленные Ю.Д. Королевым.

Ввиду многочисленности вопросов, рассматриваемых в данном пособии, при его подготовке для консультаций привлекались С.Г. Еханин, П.Е. Троян, В.В. Лопатин, Ю.И. Кузнецов и др., которые непосредственно занимались изучением пробоя диэлектриков и которым авторы выражают глубокую признательность.

Авторы также благодарны профессору Ю.М. Анненкову за редактирование рукописи и рецензентам Г.Г. Волокитину и Л.А. Лисициной за ценные замечания и просмотр рукописи.

Все появившиеся у читателей замечания просьба присылать по ад-

ресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ.

3

Каф. ЭИКТ ЭЛТИ

ВВЕДЕНИЕ

Вдиэлектриках, как и в других веществах, всегда имеются заряженные частицы. Если к диэлектрику приложено слабое электрическое поле, то происходящие в нем процессы, связанные с перемещением заряженных частиц, не вызывают его разрушения. Такие явления составляют физику диэлектриков, область слабых полей. Если к диэлектрику приложено гораздо более сильное электрическое поле, при котором заряженные частицы вызывают, в конечном счете, разрушение диэлектрика, то такие явления составляют физику диэлектриков, область сильных полей. В сильных электрических полях в диэлектриках протекают качественно новые явления, которые в слабых электрических полях были невозможны. Для этих полей характерно наличие высокой кинетической энергии заряженных частиц, приобретаемой ими при движении в электрическом поле, которая становится сопоставимой с энергией возбуждения атомов и молекул и энергией их ионизации.

Вбольшинстве случаев очень сильное электрическое поле вызывает резкое увеличение электропроводности, за счет чего диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Такое явление называется пробоем диэлектрика. Согласно ГОСТ 21515–76, пробой – это явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля. Минимальное электрическое напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою, называется пробивным и обозначается U пр. Соответствующая минимальная напряженность од-

нородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика, называется электрической прочностью (пробивной напряженностью). В однородном электрическом поле она равна: Eпр =U np d (где d –

толщина диэлектрика). В случае неоднородного электрического поля величина Eпр.ср. =U пр d называется средней пробивной напряженно-

стью.

Механизм разрушения диэлектрика под действием электрического поля достаточно сложен и многообразен и может протекать по-разному в зависимости от вида воздействующего напряжения, времени его приложения, типа диэлектрика, его структуры, температуры и др. условий испытания. Это может быть развитие ударной ионизации, нарушение тепловой устойчивости и перегрев диэлектрика за счет высоких диэлектрических потерь или процессы электрохимического старения при длительном воздействии электрического поля. Можно также сказать, что пробой диэлектрика представляет собой сочетание многих физических процессов (электрических, тепловых, оптических, механических и др.), преимущественное развитие которых определяет его механизм.

4

Каф. ЭИКТ ЭЛТИ

Наиболее существенное влияние на механизм пробоя и его развитие оказывает вид диэлектрика. Так, например, пробой газообразных и жидких диэлектриков отличается от пробоя твердых диэлектриков отсутствием второй стадии, т.е. стадии разрушения. Эта стадия характеризуется остаточными изменениями диэлектрика, обусловленными термическим или механическим разрушением, приводящим к появлению проводящего канала. После пробоя газообразных и жидких диэлектриков таких необратимых изменений практически не наблюдается, т.е. имеет место самовосстановление их электрической прочности, если, конечно, не происходит химического изменения вещества.

Пробой диэлектрика обычно вызывает аварийное состояние электрического аппарата, и очень важно сконструировать электрический аппарат так, чтобы он имел минимальные размеры и при воздействии рабочего напряжения не пробивался в течение положенного времени эксплуатации. В то же время явления, сопровождающие пробой диэлектриков, находят практическое применение при разработке новых технологий. Такими примерами являются использование газового разряда в газоразрядных приборах, в газовых лазерах, в приборах со взрывной эмиссией, в электроискровой обработке конструкционных материалов, при электроимпульсном разрушении и измельчении горных пород, при получении смазочных масел и др. Во всех случаях важно знать закономерности пробоя диэлектриков.

Наиболее изученным является пробой газов, поэтому он рассматривается в первом разделе. Кроме того, многие представления о газовом разряде широко привлекаются для объяснения пробоя твердых и жидких диэлектриков. Далее по степени изученности идет пробой твердых и жидких диэлектриков, который рассмотрен во втором и третьем разделах.

В отличие от книги Г.А. Воробьева «Физика диэлектриков (область сильных полей)», в данном пособии значительно увеличен объем раздела по газовому разряду. Этому способствовало появление в 1987 г. фундаментальной монографии по физике газового разряда, изданной Ю.П. Райзером. Более подробно рассмотрены вопросы столкновения атомных частиц, особенности пробоя газа в разных частотных диапазонах, особенности тлеющего, дугового и коронного разрядов.

Все разделы по пробою твердых диэлектриков пересмотрены с учетом их важности с позиций современных теоретических представлений. Значительно уменьшен объем разделов, в которых излагаются теории теплового пробоя Вагнера, А.Ф. Вальтера и Н.Н. Семенова, строгая теория В.А. Фока, классические теории электрического пробоя Роговского и Иоффе и другие теории, представляющие большей частью исторический интерес. Сокращен также объем разделов, в кото-

5

Каф. ЭИКТ ЭЛТИ

рых излагаются квантово-механические теории электрического пробоя твердых диэлектриков неударным механизмом Зинера, Френкеля и Фаулера и квантово-механические теории ударным механизмом А. Хиппеля и Г. Фрелиха.

При объяснении механизма электрического пробоя твердых диэлектриков в литературе сложилось два научных направления. Большинство экспериментальных данных показывает, что электрический пробой твердых диэлектриков обусловлен ударной ионизацией электронами. Однако в работах Ю.Н. Вершинина и его сотрудников отрицается возможность развития в твердых диэлектриках ударной ионизации электронами. Они подходят к объяснению механизма электрического пробоя твердых диэлектриков с позиции перегревной электрической неустойчивости и электронной детонации при разрушении твердых диэлектриков. Эти вопросы рассматриваются в отдельном разделе.

Выделены в отдельный раздел и значительно расширены вопросы пробоя твердых диэлектриков в области сверхсильных электрических полей (электрическое упрочнение, электронные токи и свечение в микронных слоях, дислокации и трещины перед пробоем и др.), которые не противоречат механизму электрического пробоя ударной ионизацией электронами. Введены разделы по пробою диэлектрических пленок и формованных МДМ-систем.

Рассмотрены некоторые особенности пробоя полимерных диэлектриков согласно работам Артбауэра, Старка, Гартона, С.Н. Колесова. Расширен раздел электрического старения твердых диэлектриков под действием частичных разрядов согласно данным Г.С. Кучинского и С.Н. Койкова.

Раздел пробоя жидких диэлектриков дополнен новыми данными о развитии разряда в жидкости и влиянии ультразвука на ее электрическую прочность. Рассмотрены особенности и закономерности внедрения электрического разряда в твердый диэлектрик, погруженный в жидкость.

6