Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

51

становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании (например, элегаза в высоковольтных выключателях).

При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.

При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

®Полочка¨ в зависимости Епр от давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вызвать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности. Высокие электроизоляционные свойства вакуума используются в вакуумных конденсаторах и вакуумных выключателях.

Явление пробоя воздуха зависит и от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Однородное электрическое поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы.

В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры и давления газа. Между электродами возни-

52

кает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Электрическая прочность также зависит от расстояния между электродами.

Электрическая прочность Епр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h = 0,1 мм и менее) (рис. 30). Это связано с тем, что при таких малых расстояниях свободные электроны и ионы не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации молекул, и разряжаются, достигнув электродов.

Епр,
мВ/м
50
40
30
20
10
0	0,01	0,1	1	10	100	h, мм

Рис. 30. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле

от расстояния между электродами

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле как по величине пробивного напряжения Uпр, так и по характеру развития самого процесса пробоя. Пробой газа в неоднородном поле, как правило, происходит при меньшем пробивном напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Неоднородное поле образуется между электродами, хоты бы один из которых имеет малую площадь, например, между острием и плоскостью, между проводами воздушных линий электропередач, между двумя остриями, между сферическими электродами при расстоянии между ними, превышающем диаметр сферы.

53

Особенностью пробоя газа в неоднородном электрическом поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В газообразных электроизоляционных материалах в неоднородном постоянном электрическом поле проявляется эффект полярности. Это явление иллюстрирует рис. 31, на котором показана зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами типа ®острие-плоскость¨. При прочих равных условиях, пробивное напряжение при положительной полярности острия существенно ниже, чем при отрицательной.

Uпр, кВ	2
+	-

1

+ -

h, мм

Рис. 31. Эффект полярности в газообразных диэлектриках:

1 – положительная полярность иглы; 2 – отрицательная полярность иглы

Этот эффект вызван тем, что в неоднородном электрическом поле в месте наибольшей неоднородности, т.е. вблизи острия, возникают положительные объемные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, напряженность которого при положительной полярности острия направлена согласно с напряженностью внешнего электрического поля (объемный положительный заряд является как бы продолжением острия) и пробой наступает при меньшем напряжении.

Вернуться к содержанию

2.7.3 Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных услови-

54

ях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и мельчайшие механические частицы.

Наличие примесей значительно усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов пробоя. В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами, как и в случае пробоя газов (электрический пробой). Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах.

Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от многих факторов, однако наибольшее влияние на прочность оказывают примеси: вода, газы и твердые частицы. Пробой масла, содержащего газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся при ионизации пузырьков газа, который приводит к испарению легких фракций масла и образованию газового канала между электродами.

Влага в трансформаторном масле может находиться в трех состояниях: в растворенном виде, в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны шарики диаметром 2-10 мкм) и в виде отстоя на дне резервуара.

Молекулярно растворенная вода мало влияет на электрическую прочность трансформаторного масла и тангенс угла диэлектрических потерь, однако способствует повышению окисляемости масла и снижению его стабильности. Вместе с тем даже малые доли процента эмульсионной воды значительно снижает его электрическую прочность (рис. 32).

Это объясняется тем, что под действием электрического поля шарики эмульсионной воды поляризуются и, притягиваясь между собой разноименными концами, образуют цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

55

Рис. 32. Зависимость электрической прочности от содержания воды в масле

Подготовленное для заливки в трансформатор масло должно быть полностью очищено от влаги, находящейся в эмульсионном состоянии и в виде отстоя.

Твердые примеси в виде взвеси в трансформаторном масле искажают электрическое поле внутри масла (делают его более неоднородным), что и является причиной уменьшения электрической прочности. Твердые частицы, осевшие на обмотку и магнитопровод трансформатора, значительно ухудшают теплоотвод с их поверхностей. Особенно резкое уменьшение пробивного напряжения происходит при наличии в масле гигроскопических загрязнений – волокон бумаги, картона, пряжи, значительно облегчающих образование проводящих мостиков (как в случае с эмульсионной водой).

Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры (рис. 33).

При температуре 0оС вода, содержащаяся в масле, находится в эмульсионном состоянии, поэтому электрическая прочность имеет практически минимальное значение. При повышении температуры вода переходит в растворенное состояние, т.е. её свободное состояние исчезает. В состоянии раствора примесь воды в

56

меньшей степени снижает электрическую прочность (увеличение Епр на кривой 2).

Рис. 33. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры: 1 – подсушенное масло; 2 – масло, содержащее следы воды

При повышении температуры вода переходит в растворенное состояние, т.е. её свободное состояние исчезает. В состоянии раствора примесь воды в меньшей степени снижает электрическую прочность (увеличение Епр на кривой 2). При температуре 70оС в трансформаторном масле начинается процесс кипения его легких фракций, количество газов в масле увеличивается, что приводит к уменьшению электрической прочности. Как следует из рис. 33 (кривая 1), электрическая прочность сухого трансформаторного масла имеет большее значение и практически не изменяется до температуры 70оС.

На электрическую прочность масла оказывает влияние частота приложенного электрического поля.

При увеличении частоты электрического поля до 105 Гц электрическая прочность трансформаторного масла уменьшается, что вызвано его разогревом за счет диэлектрических потерь.

Вернуться к содержанию

2.7.3.Пробой твердых диэлектриков

Втвердых диэлектриках могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

57

электрический;

тепловой;

электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного: импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т.д.

Электрический пробой

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием: протекает за время не более 10–7 –10–8 с. Данный вид пробоя не обусловлен выделением тепловой энергии, хотя электрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале (рис. 34).

Рис. 34. Зависимость электрической прочности электротехнического фарфора от температуры: А – область электрического пробоя;

В – область теплового пробоя

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом диэлектрике создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая

58

ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию элементарным частицам (молекулам, ионам) в узлах решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению диэлектрика.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

На механизм пробоя твердых диэлектриков влияет однородность структуры материала. К неоднородным относятся диэлектрики, имеющие пористую структуру, т.е. содержащие газовые включения. Для однородных диэлектриков наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрических полях (рис.35).

Рис. 35. Зависимость пробивного напряжения однородного диэлектрика (технического стекла) от толщины: 1 – однородное электриче-

ское поле; 2 – неоднородное электрическое поле

Это объясняется тем, что в однородном поле происходит пробой диэлектрика в самом слабом месте диэлектрика (например, в месте имеющегося дефекта структуры), а в неоднородном электрическом поле – в точке с максимальной напряженностью поля.

59

Пробивные напряжения неоднородных диэлектриков, находящихся во внешнем однородном и неоднородном электрических полях невысоки и мало отличаются друг от друга (рис. 36). Как правило, в однородном электрическом поле электрическая прочность диэлектрика больше, чем в неоднородном. Электрическая прочность неоднородного диэлектрика в неоднородном электрическом поле может оказаться больше, чем в однородном, если в месте с максимальной напряженностью электрического поля окажется наименьшее количество газовых включений.

Рис. 36. Зависимость пробивного напряжения неоднородного диэлектрика (электротехнического фарфора) от толщины:

1 – однородное электрическое поле; 2 – неоднородное электрическое

Для однородных диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от их толщины: ее незначительное снижение при большой толщине может наблюдаться только при наличии дефектов структуры. Для неоднородных диэлектриков с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры (возрастает число газовых включений) и снижается электрическая прочность, как в однородном, так и в неоднородном электрических полях.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его

60

использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках (100 кВ/мм) близки к пробивным для объемных образцов.

Пробивное напряжение зависит и от площади электродов: чем больше площадь электродов, тем меньше напряжение пробоя. Это объясняется тем, что в неоднородных диэлектриках увеличивается число газовых включений, попадающих в электрическое поле, а в однородных – увеличивается вероятность попадания в поле дефектов структуры.

При определённой электрической прочности твёрдого диэлектрика может произойти пробой по поверхности диэлектрика

– перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой. В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твёрдого диэлектрика, а поверхность твёрдого диэлектрика повреждается. Повреждение, связанное с образованием проводящих следов (треков) на поверхности твердого диэлектрика называется трекингом. Напряжение поверхностного пробоя зависит от свойств диэлектрика, формы образца и электродов, закономерностей пробоя окружающей среды.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение электрической изоляции должно быть меньше в несколько раз пробивного напряжения (Uраб<Uпр).

Коэффициент запаса электрической прочности равен:

K

Uпр

(35)

U раб

Значение Uпр зависит от времени приложения напряжения: при кратковременных импульсах пробой происходит при больших значениях Uпр, чем при воздействии длительного или постоянно приложенного переменного напряжения.

Электрическая изоляция характеризуется сроком службы. Если на диэлектрик продолжительное время воздействует электрическое поле высокой напряжённости, то это приводит к необратимым процессам, в результате которых снижается Uпр, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Кривая зависимо-