Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

2.6.Влияние формы и размеров электродов, их материала, состояния поверхности и расстояния между ними на пробой жидкостей

Многочисленные опыты, выполненные разными авторами, показали на явное влияние материала электродов, состояния их поверхности, расстояния между ними и степени неоднородности электрического поля на электрическую прочность жидких диэлектриков.

На рис. 2.5 показаны зависимости пробивного напряжения в гексане для разных материалов электродов. Когда острие положительно, материал электродов не сказывается, однако, если острие отрицательно

– пробивное напряжение разное и увеличивается при переходе от Al к Cu и к Cr. При этом, как видно из рис. 2.5, характерно также, что при положительном острие пробивное напряжение ниже, чем при отрицательном острие.

Наибольшее пробивное напряжение технически чистой жидкости имеет место в однородном электрическом поле. При этом электрическая прочность существенно зависит от площади электродов. Так, в случае сферических электродов, создающих слабонеоднородное поле,

Εпр =120 кВ/см. Такая зависимость

227

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

объясняется вероятностью попадания между электродами наиболее крупных примесей, ведущих к снижению Εпр .

Приведенные данные показывают, что в развитии пробоя жидких диэлектриков большую роль играет эмиссия электронов из поверхности электродов и формирование лавины электронов и ионов.

Приведенные данные также имеют и существенное практическое значение, т.к. перед заливкой трансформаторного масла в аппарат надо знать его электрическую прочность. С целью исключить влияния на Εпр размеров и формы электродов для испытаний на пробой разрабо-

тан стандартный пробойник, в котором имеются электроды с определенным радиусом закругления и межэлектродным расстоянием (d=2,5 мм), что позволяет получать однозначные значения Εпр .

2.7. Развитие разряда и импульсный пробой в жидкостях

Изучение развития разряда обычно дает наибольшую информацию о механизме этого явления. Еще в довоенные годы В.С. Комель-

228

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

был назван лидером. Впереди этого канала в диаметре 1÷2 см наблюалось менее яркое свечение, которое было принято как зона ионизации.

Лидер продвигался толчкообразно с паузами, и средние скорости развития составили для положительного

представляет собой не однолавинный процесс в виде лавины или стримера, а более сложное явление. Хотя природа его была неизвестна, можно было утверждать, что лидер представляет собой сочетание проводящего канала и зоны ионизации. После касания лидером электродаплоскости наблюдался обратный разряд, который был уподобен главному разряду в газах.

Впоследствии картина развития разряда в жидкости уточнялась, но более четко проследить стадии разряда удалось, используя вместо фотокамеры с механической разверткой электронно-оптический преобразователь с наносекундным временным разрешением. По данным В.Я. Ушакова, развитие разряда в жидкости в поле электродов острие– плоскость при воздействии импульсного напряжения происходит следующим образом. На фронте импульса около острия наблюдаются многочисленные разряды в виде факелов. Далее из этих факелов развиваются один или два канала, по мере удлинения которых остальные факелы затухают. Это связано с тем, что каналы разряда выносят потенциал электрода-острия в глубь межэлектродного промежутка, и напряженность поля около электрода-острия падает.

На рис. 2.7 представлена временная развертка развивающегося разряда в трансформаторном масле. Видно, что между яркими идущими вниз линиями имеются слабосветящиеся временные паузы. Специальными исследованиями удалось установить, что во время временной паузы развивается несколько (3÷6) разрядов диаметром 1÷5 мкм, достигающих длины 3÷6 мм. Эти разряды были названы первичными каналами. По одному из этих каналов развивается затем более мощный

229

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

230

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

ного промежутка.

Приведенные данные позволяют представить развитие разряда так, как это схематически показано на рис. 2.10. Развитие первичного разряда объясняется участием тех же процессов, что и в случае развития разряда в однородном поле. Развитие первичного канала, идущего от положительного электрода-острия, связывается с автоионизацией молекул жидкости и движением электронов к головке канала. По пути электроны производят возбуждение молекул и частично рекомбинируют. Эти процессы обусловливают свечение канала. Развитие первичного канала, идущего от отрицательного электрода-острия, связывается с эмиссией электронов из головки лидера и ускорением в сильном электрическом поле.

Поскольку электрическое поле на головке первичного канала очень велико (по оценкам порядка 1010 В/м), то, возможно, что электроны быстро ускоряются, не прилипают к газовым молекулам и молекулам жидкости и производят ударную ионизацию с образованием электронных лавин. Механизм образования канала лидера менее ясен, но наиболее очевидным является следующий. За счет наличия значительных продольных градиентов в первичном канале, в нем выделяется энергия от протекающего тока. Естественно, что чем ближе сечение первичного канала к его основанию, тем оно сильнее прогревается, его проводимость сильнее возрастает, и канал сильнее расширяется. Расширение канала разряда означает увеличение его емкости по отношению к земле, что влечет протекание емкостного тока зарядки этой емкости. Когда емкостной ток становится достаточно большим, за счет

231

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

выделяющейся энергии жидкость в канале разряда вскипает, давление резко увеличивается и появляется ударная волна. На появление ударной волны указывает факт, что скорость расширения канала лидера превышает скорость звука в жидкости.

Вслед за ударной волной происходит расширение канала лидера, сопровождающееся возрастанием емкости относительно земли и протеканием емкостного тока зарядки. Расширение лидерного канала заканчивает-

ся, когда энергии, выделяющейся при протекании емкостного тока зарядки, будет недостаточно для образования достаточно мощных ударных волн.

Данные по развитию разряда в жидкостях позволяют лучше понять зависимости пробивного напряжения от времени t воздействия напряжения. Характер зависимости U пр = f (t) может быть самый раз-

личный и объясняется многообразием процессов, приводящих к пробою жидкости при различных временах воздействия напряжения.

В качестве примера на рис. 2.11 представлены вольт-секундные характеристики технически чистого трансформаторного масла для электродов острие-плоскость при d=20 см. Падение Uпр при t ≥10-3 с объясняется действием примесей. Можно считать, что электрический

(рис. 2.11) пробивное напряжение не изменяется, и можно считать, что имеет место электрический пробой. При t<2 10-5 с, возрастание Uпр можно объяснить запаздыванием разряда.

Важно отметить, что и при больших экспозициях электрическая прочность технически чистых жидкостей не достигает установившегося значения, как это видно из табл. 2.3, относящейся к сухому трансформаторному маслу.

232