Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

скорости процессов, определяющих периодичность следования частичных разрядов. Это особенно сильно проявляется на постоянном напряжении. На переменном напряжении наибольшее влияние на периодичность частичных разрядов оказывает

частота приложенного напряжения. Зависимость времени жизни

τ = f (T ) (срока службы) от температуры можно выразить также уравнением

9.2. Кратковременное пробивное напряжение

На рис. 9.6 представлены зависимости мгновенного пробивного напряжения Ut , для трех пленок политетрафторэтилена (1 – начальное

напряжение Uo = 5.95 кВ, 2 – Uo= 5.7 кВ, 3 – Uo = 5.5 кВ) от времени старения.

Старение производилось при напряжении 1200 В, f=50 Гц, t=20 °C. Вначале Ut снижается медленно, но затем скорость снижения Ut = f (t)

быстро возрастает. Такой ход зависимостей Ut = f (t) является естест-

венным, так как логично предполагать, что изменения, происходящие в диэлектрике при старении, способствуют ускорению старения. Однако, если старение производится на постоянном напряжении, то получается несколько иной ход зависимости Ut = f (t); вначале Ut быстро умень-

шается, а затем снижение Ut замедляется.

9.3. Старение бумажной изоляции

Основной особенностью старения бумаги и бумажной изоляции является выделение свободного углерода, что способствует дальнейшему прорастанию разряда и обусловливает значительное снижение пробивного напряжения. Примером опасного влияния выделения углерода в бумаге может служить пробой бумажной изоляции высоковольтного кабеля, пропитанной маслом. Когда разряд развивается от жилы кабеля на некоторую небольшую глубину, появляются тангенци-

194

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

альные составляющие напряженности поля, обусловливающие частичные разряды на поверхности бумаги. Эти разряды, захватывающие большую площадь, науглероживают бумагу, что создает опасность пробоя изоляции в слабом месте.

Следует отметить, что выделение свободного углерода имеет место не только в бумаге, но и в других органических диэлектриках (например, в некоторых лаках, компаундах).

9.4. Старение неорганических диэлектриков

Исследования различных неорганических диэлектриков показали, что процесс их электрического старения наблюдается в основном при воздействии постоянного напряжения при повышенных температурах. На переменном напряжении старение практически не происходит. При этом если состаренные образцы неорганической изоляции подвергнуть тепловой обработке без приложения напряжения или приложить к ним напряжение обратной полярности, то может наблюдаться восстановление первоначальных диэлектрических свойств (уменьшение электропроводности, tgδ и др.), т.е. происходит регенерация. Внешне старение

неорганических диэлектриков проявляется в их потемнении (окраске). Это показывает, что старение неорганических диэлектриков каким-то

тока сохраняет постоянное значение или может даже несколько уменьшаться. На этом участке процесс старения проявляется очень слабо.

Далее наблюдается быстрое возрастание плотности тока, обычно описываемое степенной функцией.

На 3-м участке старения рост плотности тока прекращается. В некоторых случаях обнаружено даже ее уменьшение. На первом и втором участках процесс старения неорганических диэлектриков носит как бы обратимый характер, т.е. его диэлектрические свойства могут быть восстановлены (регенерированы).

195

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

Наконец, на 4-м участке старения вновь наблюдается рост плотности тока, заканчивающийся обычно тепловым пробоем диэлектрика. Следует отметить, что характер кривых плотности тока от времени старения зависит от условий испытания. При низких температурах интенсивность старения будет настолько низкой, что не удается наблюдать даже второго участка. При повышенных температурах возрастание плотности тока становится настолько большим, что пробой происходит сразу, минуя 3-й и 4-й участки, т.е. на втором участке.

Наиболее изучен процесс старения щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК). В работах С.Н. Койкова установлено, что при повышенных температурах процесс старения ЩГК связан с перемещением анионных вакансий и образованием F-центров. Согласно модели де Бура предполагается, что F-центр состоит из анионной вакансии и локализованного вблизи нее электрона.

При низких температурах подвижность анионных вакансий очень мала и процесс старения замедлен. При повышенных температурах подвижность анионных вакансий резко возрастает, и они под действием электрического поля перемещаются к катоду и усиливают вблизи его поверхности напряженность поля. За счет этого с катода вырываются электроны, которые могут быть захвачены анионными вакансиями с образованием F-центров. Область максимальной напряженности при этом смещается в сторону анода, что вызывает подтягивание сюда новых анионных вакансий из средней части. При этом электроны из F- центров могут переходить на подошедшие анионные вакансии, образуя новый слой F-центров. Анионные вакансии, отдавшие электроны усиливают поле вблизи катода, что, в свою очередь, вызывает дополнительную инжекцию электронов и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока образующиеся слои F-центров не достигнут анода. При этом окраска ЩГК также постепенно распространяется от катода в глубь диэлектрика. Окраска ЩГК также происходит и при облучении их рентгеновскими лучами. Поскольку число электронов, участвующих в этом процессе, постоянно добавляется в результате их инжекции с катода, то и электропроводность будет возрастать в процессе старения.

В отличие от ЩГК, механизм электрического старения других неорганических диэлектриков изучен значительно слабее. Это связано со сложностью и особенностями их структуры, их непрозрачностью, возможным наличием газовых включений. Однако установлено, что в процессе электрического старения таких неорганических диэлектриках, как TiO2, BaTiO3, SrTiO3, рутиловая керамика типа Т-80, а также других титаносодержащих керамических материалов, характер изменения плотности тока со временем аналогичен ЩГК. При этом измене-

196

Часть II. Глава 9. Электрохимический пробой

ния, происходящие в них в процессе старения (по крайней мере, до третьего этапа) также являются обратимыми, т.е. для них также характерен процесс регенерации. Так же как и для ЩГК, у них проявляется эффект окраски (потемнения).

Существующие данные дают основания считать, что основной причиной электрического старения этих неорганических диэлектриков является образование и изменение концентрации донорных дефектов (наподобие F-центров). Трудность заключается в объяснении причин появления анионных вакансий, т.к. в большинстве случаев электропроводность таких диэлектриков носит электронный характер. Считается, что имеющиеся в них до старения дефекты связаны попарно и поскольку их суммарный заряд равен нулю, то они не принимают участие

вионной электропроводности. Под действием электрического поля может происходить диссоциация этих пар. Так, например, для рутиловой керамики образование анионной вакансии связано с переходом кислорода в междуузлие. При этом установлено также, что электрохимические процессы при старении начинают развиваться со стороны анода, что может быть связано с инжекцией положительно заряженных частиц. На это указывает тот факт, что удаление слоя диэлектрика (сошлифовка), прилегающего к аноду, вызывает резкое уменьшение плотности тока, тогда как удаление прикатодного слоя не вызывает изменений тока.

Таким образом, можно предположить, что в течение первого этапа

вприэлектродных слоях происходят ионные процессы, подготавли-

197