Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

Глава 9. Электрохимический пробой

При длительном воздействии электрического напряжения на диэлектрик в нем происходят различные электрохимические процессы, которые приводят к снижению его пробивного напряжения. При этом снижение пробивного напряжения или электрической прочности будет тем больше, чем больше время воздействия

литературе название «кривой жизни» (см. рис. 9.1), а само явление получило название электрохимического пробоя или электрического старения.

Сущность процесса электрического старения заключается в возникновении и развитии в диэлектрике различных физико-

химических процессов, вызванных воздействием электрического поля

иприводящих к ухудшению его диэлектрических свойств.

Врезультате электрохимических процессов, происшедших в диэлектрике под воздействием электрического поля (от нескольких минут до нескольких лет), возрастает его проводимость, увеличиваются диэлектрические потери, снижается кратковременная электрическая прочность. Это разрушение диэлектрика можно рассматривать как самостоятельную форму пробоя, которая в завершающей стадии, как правило, имеет тепловой характер, т.е. завершается развитием теплового пробоя.

Установлено, что скорость электрического старения, механизм электрохимических процессов зависят как от условий испытания, так и от вида материала диэлектрика.

9.1. Электрическое старение органической изоляции

Экспериментально показано, что основной причиной старения органической изоляции в сильном электрическом поле являются частичные разряды, происходящие в газовых порах, имеющихся в изоляции, и в окружающем изоляцию газе. Доказательством этого являются следующие факты:

1.Резкое возрастание времени жизни изоляции при проведении ее испытаний в вакууме, где развитие частичных разрядов затруднено.

2.Резкое возрастание времени жизни изоляции при напряженностях поля, меньшей напряженности возникновения частичных разрядов.

188

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

3. Резкое уменьшение времени жизни изоляции при увеличении частоты приложенного электрического поля за счет роста интенсивности частичных разрядов.

Возникновение частичных разрядов, как правило, связано с наличием в органических диэлектриках воздушных включений, которые образуются при их изготовлении, за счет усадки в процессе полимеризации и многих других причин. Под действием частичных разрядов (ЧР) могут происходить следующие процессы:

1.Образование газообразных продуктов ионизации – озона, окислов углерода, окислов азота, паров воды и др.

2.Химическое разрушение диэлектрика под действием продуктов ионизации, сопровождаемое разрывом химических связей, образованием свободных радикалов, появлением поперечных связей (сшиванием) между макромолекулами, образованием новых групп (карбоксильные, эфирные) в составе макромолекул полимера, а также углерода и др. Эти изменения прослеживаются с помощью ИК-спектроскопии.

3.Непосредственное воздействие на диэлектрик бомбардировки ионами и электронами, действие излучения, образуемыми при ЧР.

5.Повышение локальной напряженности электрического поля и температуры, возникающие в зоне ЧР.

6.Эрозия диэлектрика, ведущая к уменьшению его веса и толщи-

ны.

Механизм электрохимических процессов, приводящих к электрическому старению, многообразен и зависит от материала диэлектрика, однако можно указать следующие основные закономерности:

а) образование химически активных продуктов при ионной проводимости (взаимодействие ионов с металлом электродов, развитие дендритов);

б) процессы электролиза и электролитического разложения продуктов загрязнения, воды, пропиточной массы (взаимодействие их с материалом электродов и диэлектрика);

в) разрыв химических связей, образование свободных радикалов и их последующее взаимодействие с основным диэлектриком;

г) образование поперечных химических связей, повышение молекулярного веса.

Указанные факторы вызывают изменение свойств диэлектрика, определяют механизм его старения и приводят к снижению мгновенного пробивного напряжения. Роль тех или иных факторов может быть

189

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

различной в каждом конкретном случае в зависимости от вида диэлектрика и условий испытания.

Если представить воздушное включение в виде полости, вытянутой вдоль слоев (рис. 9.2), то можно рассмотреть процесс ЧР из следующей эквивалентной схемы.

При приложении к диэлектрику с воздушным включением напряжения за счет различия диэлектрической проницаемости ε и электропроводности γ самого диэлектрика и воздушного включения происходит перераспределение электрического поля.

На переменном напряжении это перераспределение определяется

ε1Е1 = ε2 Е2 , а на посто-

бой емкости поры (ЧР). В соответствии с эквивалентной схемой можно найти:

Здесь Uни – напряжение начала ионизации;

εг ,εд – диэлектрическая проницаемость газа (воздуха) и диэлектрика без включения;

d , d г – общая толщина диэлектрика и толщина воздушного включения.

190

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

В качестве характеристик частичных разрядов кроме напряжения начала ионизации – Uни различают также количество частичных раз-

рядов в единицу времени (частота следования ЧР) – nчр ; кажущийся заряд единичного ЧР – qчр ; энергия частичного разряда Wчр = qчр Uчр ; ток частичного разряда Iчр = qчр nчр; мощность частичного разряда

Pчр = nчрWчр .

Характер и интенсивность проявления частичных разрядов зависит от формы приложенного напряжения.

Периодичность ЧР обусловлена величиной τ = RC = Aρvε , т.е. по-

стоянной времени разряда емкости воздушного включения (временем стекания заряда). Здесь А – некоторая постоянная, отражающая размерность единиц измерения.

При повышении температуры за счет увеличения проводимости (т.е. уменьшения удельного сопротивления) время стекания зарядов будет уменьшаться, что приведет к увеличению интенсивности частичных разрядов.

Время между разрядами

Кроме того, периодичность ЧР зависит от соотношения напряжения зажигания и напряжения погасания разряда

191

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

Здесь: γ – электропроводность диэлектрика; ε1,ε2 – диэлектрическая проницаемость диэлектрика и газового

включения;

d1, d2 – толщина диэлектрика и газового включения; f – частота приложенного напряжения.

Рассматривая характер воздействия частичных разрядов на процесс старения твердых диэлектриков, можно выделить две тенденции.

Увеличение интенсивности частичных разрядов в процессе старения. Эта тенденция связана с процессом эрозии (разрушения) стенок воздушного включения продуктами ионизации. Это наиболее опасная тенденция, приводящая в конечном итоге к пробою самого диэлектрика, т.е. к уменьшению срока службы.

Затухание ионизации. Этот процесс связан с шунтированием воздушного включения продуктами разложения диэлектрика, окружаю-

192

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

щего пору. В этом случае продукты разрушения (сажа) как бы закорачивают пору и она превращается в проводящее включение. Напряжение на поре практически падает до нуля и частичные разряды прекращаются. Это наиболее благоприятный случай, когда действие частичных разрядов оказывает слабое влияния на процесс старения. Однако замечено, что в таких порах процесс ионизации может возобновиться или перейти в развитие дендритов.

При электрохимическом пробое снижение Епр с течением времени описывается эмпирическими выражениями следующего вида:

где n = m1 .

Здесь А и m – постоянные, зависящие от материала диэлектрика (для бумажно-масляной изоляции m =7÷8).

При изучении процесса старения полимерных пленок (ПЭ, ПС, лавсана и др.) Койков С.Н. и Цыкин А.Н. обнаружили, что при напряженности поля E > Eu в зависимости lgt = f (lgE) наблюдается излом

(рис. 9.5).

При этом, как видно из рис. 9.5, в данной области наблюдается два участка, для которых справедливы уравнения

где W – энергия активации. Как уже отмечалось, влияние температуры на скорость старения

выражается ростом электропроводности, что приводит к увеличению

193