- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I. ПРОБОЙ ГАЗОВ
- •Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде
- •1.1. Законы сохранения энергии при столкновении атомных частиц
- •1.2. Интегральные характеристики столкновения
- •1.3. Энергия взаимодействия атомных частиц
- •1.4. Подвижность заряженных частиц
- •1.5. Диффузия заряженных частиц
- •1.6. Возбуждение и ионизация атомов и молекул
- •1.7. Термическая ионизация
- •1.8. О возможности ионизации газа ионами
- •1.9. Рекомбинация заряженных частиц
- •1.10. Термоэлектронная, автоэлектронная, взрывная эмиссия. Фотоэффект на катоде
- •1.11. Элементы кинетического уравнения для электронов
- •Глава 2. Теория пробоя Таунсенда
- •2.1. Первый коэффициент Таунсенда
- •2.2. Прилипание электронов к атомам и молекулам. Отрыв электронов от отрицательных ионов
- •2.3. Второй коэффициент Таунсенда
- •2.4. Электронная лавина
- •2.5. Условие самостоятельности разряда. Закон Пашена
- •2.6. Отступления от закона Пашена
- •2.7. Время разряда
- •Глава 3. Пробой газа в различных частотных диапазонах
- •3.1. СВЧ-пробой
- •3.2. ВЧ-пробой
- •3.3. Оптический пробой
- •Глава 4. Искровой разряд в газах
- •4.1. Наблюдения за развитием разряда в ионизационной камере
- •4.2. Схемы развития лавинно-стримерных процессов
- •4.3. Граница таунсендовского и стримерного разрядов
- •4.4. Пробой газов в наносекундном диапазоне времени
- •4.5. Длинная искра, разряд в виде молнии
- •4.6. Главный разряд
- •Глава 5. Самостоятельные разряды в газах
- •5.1. Тихий разряд
- •5.2. Тлеющий разряд
- •5.3. Дуговой разряд
- •5.4. Коронный разряд
- •5.5. Разряд по поверхности твердого диэлектрика
- •5.6. Зависимость пробивного напряжения газа от межэлектродного расстояния
- •Список литературы к разделу «Пробой газов»
- •Часть II. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •Глава 1. Тепловой пробой твердых диэлектриков
- •1.1. Теория теплового пробоя Вагнера
- •1.2. Другие теории теплового пробоя
- •Глава. 2. Классические теории электрического пробоя
- •2.1. Теория Роговского. Разрыв ионной кристаллической решетки
- •2.2. Разрыв твердого диэлектрика по микротрещине. Теория Горовица
- •2.3. Теория А. Ф. Иоффе
- •2.4. Теория А.А. Смурова. Теория электростатической ионизации
- •Глава 3. Квантово-механические теории электрического пробоя неударным механизмом
- •3.1. Теория Зинера. Теория безэлектродного пробоя
- •3.2. Теория Фаулера. Пробой электродного происхождения
- •3.3. Теория Я.И. Френкеля. Теория термической ионизации
- •Глава 4. Теории пробоя твердых диэлектриков вследствие ударной ионизации электронами
- •4.1. Теории Хиппеля и Фрелиха
- •4.2. Теории пробоя, основанные на решении кинетического уравнения. Теория Чуенкова
- •4.3. Некоторые замечания по теориям пробоя, основанных на рассмотрении механизма ударной ионизации электронами
- •Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами
- •5.1. Стадии пробоя твердых диэлектриков
- •5.2. Развитие разряда в однородном и неоднородном полях в твердых диэлектриках
- •5.3. Эффект полярности при пробое в неоднородном электрическом поле
- •5.4. Влияние материала электродов на пробой твердых диэлектриков
- •5.5. Зависимость времени разряда от толщины диэлектрика. Формирование многолавинно-стримерного механизма разряда
- •Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей
- •6.1. Электрическое упрочнение
- •6.2. Электронные токи в микронных слоях ЩГК в сильных электрических полях
- •6.3. Свечение в микронных слоях ЩГК
- •6.4. Дислокации и трещины в ЩГК перед пробоем
- •Глава 7. Другие теории пробоя твердых диэлектриков
- •7.2. Энергетический анализ электрической прочности твердых диэлектриков по теории Ю.Н. Вершинина
- •7.4. Термофлуктуационная теория разрушения твердых диэлектриков электрическим полем В.С. Дмитревского
- •7.5. Особенности пробоя полимерных диэлектриков. Теория электрического пробоя Артбауэра
- •7.6. Теория электромеханического пробоя Старка и Гартона
- •Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков
- •8.1. Статистический характер пробоя твердых диэлектриков
- •8.2. Минимальное пробивное напряжение
- •8.3. Неполный пробой и последовательный пробой
- •8.4. Кристаллографические эффекты при пробое кристаллов
- •8.5. Зависимость электрической прочности от температуры
- •8.6. Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения
- •8.7. Пробой диэлектрических пленок
- •8.8. Формованные системы металл–диэлектрик–металл (МДМ)
- •8.9. Заключение по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков
- •Глава 9. Электрохимический пробой
- •9.1. Электрическое старение органической изоляции
- •9.2. Кратковременное пробивное напряжение
- •9.3. Старение бумажной изоляции
- •9.4. Старение неорганических диэлектриков
- •Список литературы к разделу «Пробой твердых диэлектриков»
- •Часть III. ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки
- •1.1. Проводимость жидких диэлектриков
- •1.2. Пробой жидкостей вследствие ударной ионизации электронами
- •1.3. Пробой жидкостей неударным механизмом
- •Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки
- •2.1. Влияние влаги
- •2.2. Влияние механических загрязнений
- •2.3. Влияние газовых пузырьков
- •2.4. Теории теплового пробоя жидких диэлектриков
- •2.5. Вольтолизационная теория пробоя жидких диэлектриков
- •2.6. Влияние формы и размеров электродов, их материала, состояния поверхности и расстояния между ними на пробой жидкостей
- •2.7. Развитие разряда и импульсный пробой в жидкостях
- •2.8. Влияние ультразвука на электрическую прочность
- •2.9. Внедрение разряда в твердый диэлектрик, погруженный в изолирующую жидкость
- •Список литературы к разделу «Пробой жидких диэлектриков»
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
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,
|
при |
|
d =1 |
мм |
Εпр |
|
|
трансформаторного |
|
масла |
|||
|
уменьшается |
с ростом |
диаметра |
|||
|
электродов (при D=2 мм Εпр =180 |
|||||
|
кВ/см, при |
D=10 |
мм |
Εпр =130 |
||
|
кВ/см, при |
D=20 |
мм |
Εпр =105 |
||
|
кВ/см, при D=50 мм Εпр =60 кВ/см). |
|||||
|
Это объясняется тем, что с |
|||||
|
увеличением |
площади электродов |
||||
|
увеличивается |
|
вероятность |
|||
|
образования газового или водяного |
|||||
|
мостика, по которому следует |
|||||
|
пробой. |
Электрическая |
прочность |
|||
Рис. 2.5. Зависимости пробивно- |
трансформаторного масла падает с |
|||||
го напряжения трансформатор- |
возрастанием |
межэлектродного |
||||
ного масла от межэлектродного |
расстояния. |
Так, |
в |
случае |
||
расстояния для электродов ост- |
однородного |
поля |
при |
d=0,5 |
мм |
|
рие-плоскость: |
Εпр =210 |
кВ/см, |
при |
d=1 |
мм |
|
1 – (–) на острие; 2 – (+) на ост- |
||||||
рие |
Εпр =180 |
кВ/см, |
при |
d=3 |
мм |
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-
|
ков, используя высокоскоростную |
|||
|
фотокамеру с механической разверт- |
|||
|
кой, наблюдал развитие разряда в |
|||
|
трансформаторном |
масле в |
поле |
|
|
электродов острие–плоскость при |
|||
|
межэлектродном |
расстоянии |
||
|
d=12÷20 см. При этом использова- |
|||
|
лись так называемые «тормозные» |
|||
|
сопротивления Rт=104÷5.106 Ом, |
|||
|
включенные последовательно с ис- |
|||
|
кровым промежутком. |
|
||
|
Действие «тормозных» сопро- |
|||
|
тивлений основано на том, что воз- |
|||
|
растание тока, сопровождающее раз- |
|||
Рис. 2.6. Зависимость пробивно- |
витие разряда, вызывает падение на- |
|||
го напряжения гексана от рас- |
пряжения на «тормозном» сопротив- |
|||
лении и вследствие этого уменьше- |
||||
стояния между электродами ост- |
||||
рие–плоскость. |
ние напряжения на искровом проме- |
|||
1, 2, 3 – острие отрицательно, элек- |
жутке, что снижает скорость его раз- |
|||
троды из хрома, меди и алюминия; |
вития. Наблюдалось развитие разря- |
|||
4 – острие положительно, электро- |
да от электрода-острия в виде узкого |
|||
ды из хрома, меди и алюминия |
ярко светящегося канала, который по |
|||
|
аналогии с длинной |
искрой в |
газе |
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
Рис. 2.7. Временная развертка начальной |
υл =1.7 105 |
см/с и |
для |
стадии разряда в трансформаторном мас- |
|
отрицательного |
|
ле для электродов острие–плоскость ((–) |
υл = 6 104 см/с. |
В.С. |
|
на острие) при d = 5 см и напряжении |
|||
U = 175 кВ, ψ = 50 % |
Комельков |
|
сделал |
|
заключение, |
что |
лидер |
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
|
|
канал разряда, достигающий в диамет- |
|||||||
|
|
ре 50÷100 мкм, который и регистриро- |
|||||||
|
|
вался в опытах В.С. Комелькова как |
|||||||
|
|
лидерный разряд. |
|
|
|
|
|||
|
|
На рис. 2.8 представлена микро- |
|||||||
|
|
фотография незавершенного разряда в |
|||||||
|
|
трансформаторном масле по поверх- |
|||||||
|
|
ности фотопластинки. Здесь четко |
|||||||
|
|
видны первичные каналы в виде тон- |
|||||||
|
|
ких линий и значительно более широ- |
|||||||
|
|
кий лидерный канал. Первичные кана- |
|||||||
|
|
лы движутся непрерывно со скоро- |
|||||||
|
|
стью |
I05÷I07 см/сек в зависимости от |
||||||
|
|
перенапряжения. Один из первичных |
|||||||
Рис. 2.8. Микрофотография |
каналов перерабатывается в лидерный |
||||||||
со скоростью 1÷3 107 см/с. |
|
|
|
||||||
следов разряда в трансформа- |
На рис. 2.9 показано временное |
||||||||
торном масле по поверхности |
|||||||||
фотопластинки |
|
расширение канала лидера в какой-то |
|||||||
|
|
точке, снятое с помощью ЭОП через |
|||||||
|
|
узкую |
щель. Диаметр канала лидера |
||||||
|
|
|
|
|
составляет 50÷100 мкм. |
||||
|
|
|
|
|
Скорость расширения ка- |
||||
|
|
|
|
|
нала |
превосходит |
ско- |
||
|
|
|
|
|
рость |
звука и |
составляет |
||
|
|
|
|
|
(3÷5).105 см/с, и следова- |
||||
|
|
|
|
|
тельно, связана с развити- |
||||
|
|
|
|
|
ем ударной волны. Вслед- |
||||
|
|
|
|
|
ствие |
временных |
пауз |
||
Рис. 2.9. Щелевая временная развертка ли- |
между вспышками лидера |
||||||||
средняя скорость υср |
его |
||||||||
дерного канала в трансформаторном масле |
продвижения |
получается |
|||||||
(щель 100 мкм) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
сравнительно небольшой. |
||||
В табл. 2.2 представлены значения средних скоростей развития |
|||||||||
лидеров в трансформаторном масле. |
|
|
|
Таблица 2.2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
Электроды |
d, |
υср, 105 |
Времен- |
Ток при |
|
Uпр, кВ |
|||
см |
см/с |
|
ная пауза, |
вспышке |
ϕ =50% |
||||
|
|
|
|
мкс |
лидера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(+) острие–(–) плоскость |
5 |
1.3 |
|
|
3.4 |
0.1 |
|
125 |
|
(–) острие–(+) плоскость |
5 |
1.0 |
|
|
2.0 |
0.08 |
|
145 |
|
(–) острие–(+) острие |
5 |
1.0/1.3 |
|
|
2.0/3.4 |
0.15 |
|
180 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
230
Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки
|
|
|
Сопоставление |
||
|
временных |
разверток |
|||
|
свечения разряда и про- |
||||
|
текающего тока позво- |
||||
|
лило |
установить, |
что |
||
|
вспышке |
лидера |
соот- |
||
|
ветствует |
бросок |
тока. |
||
|
Продольные |
градиенты |
|||
|
Епрод |
в первичном кана- |
|||
|
ле и канале лидера, со- |
||||
|
ответственно, |
состав- |
|||
|
ляют порядка 104 В/см и |
||||
Рис. 2.10. Схематическое изображение раз- |
103 В/см. Видно, что ве- |
||||
вития разряда в жидкости А: |
личина Епрод в первич- |
||||
1 – канал лидера, 2 – начальные каналы, Б – |
ном канале того же по- |
||||
распределение поля, В – осциллограммы токов |
рядка, что и в непроби- |
||||
(1 – ток первичных каналов, 2 – ток лидера) |
той части межэлектрод- |
||||
|
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
пробой имеет место при длительности, сравнимой со временем разви- |
|
тия разряда t p = d , где υл – скорость лидера. |
|
υл |
|
В данном случае tp 1.10-4 с. В диапазоне экспозиций |
2 10-5÷5 10-4 с |
(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