Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

внимание тепловые процессы, хотя, как показывает опыт, зависимость Епр от температуры, особенно вблизи точки кипения, является весьма резкой.

2.4.Теории теплового пробоя жидких диэлектриков

Вкачестве одной из попыток объяснения пробоя необезгаженной жидкости является теория теплового пробоя, предложенная А.Ф. Вальтером и Н.Н. Семеновым. Следует, однако, отметить, что в настоящее время считается, что развитие теплового пробоя в жидких диэлектриках невозможно из-за интенсивного перемешивания жидкости в электрическом поле. Поэтому рассмотрение данной теории представляет только исторический интерес.

Согласно представлениям А.Ф. Вальтера и Н.Н. Семенова, тепловой пробой связан с сильным нагревом отдельных малых частей объема жидкости за счет ее неоднородности. К таким неоднородностям можно отнести наличие в жидкости газовых пузырьков. Они считают, что в таких малых объемах (в местах неоднородности) количество теп-

ла, выделяющееся за 1 с, более резко зависит от напряженности поля, чем прямо пропорционально Е2, т.е.

Q = a E n .	(2.11)
1

При n>2 плотность тока растет быстрее, чем Е2. Если предположить, что количество тепла, отводимого ежесекундно,

Q2 = b(T −To ),

(2.12)

то, при Q1 > Q2 тепловое равновесие нарушается, и жидкость мо-

жет закипеть вблизи газовых пузырьков. Газовые пузырьки начнут увеличиваться в объеме и могут образовать газовый мостик между электродами, внутри которого возникает электрический разряд.

Величина Q может быть найдена:

Q =	Cж(Tкип	−To ) +Cпар	=	b	(2.13)
		τ		τ

Здесь τ – время воздействия напряжения; Сж – теплоемкость жидкости; Спар – теплота парообразования.

Тогда

a E	n	= b(T		−Т			) +		b		(2.14)
	пр					о
		кип							τ
или
Eпр	= n	b(T	−Т		о	)	+	b		,	(2.15)
		кип						a τ
		a

222

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

	где а, b и b* – некоторые постоянные.
	При очень малых временах τ значение Q2 <<			Q , тогда
	Eпр = т	b	.	(2.16)
		a τ

Полученные качественные соотношения позволяют объяснить уменьшение электрической прочности жидкости с ростом температуры окружающей среды. С ростом давления, что приводит к увеличению температуры кипения, электрическая прочность будет возрастать, что также согласуется с опытом. Однако теория Вальтера и Семенова не учитывает наличие конвекционных токов, влияние размеров газовых пузырьков и их движение в жидкости.

Более обоснованной является теория, предложенная Эдлером. В отличие от феноменологических соображений Вальтера и Семенова, в теории Эдлера делается попытка учесть характер распределения неоднородностей, за счет которых происходит местный разогрев отдельных частей жидкости. По мнению Эдлера, вблизи электрода имеется слой газовых пузырьков, электропроводность и теплопроводность которого значительно меньше, чем у жидкости. При наложении поля на газовом слое возникает градиент температуры с максимальной температурой на границе его раздела с жидкостью.

При повышении напряженности поля эта максимальная температура возрастает и, когда она становится равной температуре кипения, происходит пробой. Решая уравнение теплового баланса при условии,

когда Тмакс =Ткип, Эдлер находит
j2 ρ =	2k	(T	макс	−Т	о	).	(2.17)
1	a2
Здесь j	– плотность электрического тока;

ρ1 – удельное сопротивление газового слоя; k – теплопроводность газового слоя.

Недостатком теории Эдлера является то, что она не учитывает искажение поля за счет газового слоя у электрода, что может вызвать перераспределение поля в межэлектродном промежутке и изменение плотности тока. Кроме того, теория Эдлера, как и теория Вальтера и Семенова, не учитывает факта перемешивания жидкости, за счет чего характер теплоотвода будет резко изменяться и развитие теплового пробоя становится невозможным.

2.5. Вольтолизационная теория пробоя жидких диэлектриков

Для жидкостей сложного состава, каковой, например, является трансформаторное масло, предложена теория пробоя П.А. Флорен-

223

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

ским, которая была дополнена Ф.Ф. Волькенштейном. П.А. Флоренский для объяснения пробоя необезгаженной жидкости привлек известные данные по вольтолизации жидкостей, смысл которой заключается в том, что под действием бомбардировки молекул жидкости ионами, возникающими при электрическом разряде, происходит разрыв связей, в результате чего соседние молекулы объединяются в одну, более крупную с выделением водорода, т.е. процесс идет по схеме

СnΗ 2n+2 + CmΗ 2m+2 →Cn+mΗ 2(n+m)+2 + H2 .

(2.18)

Реакция разложения под действием электрического разряда протекает наиболее интенсивно в насыщенных углеводородах. Образовавшийся углеводород сам вступает в реакцию с одним из присутствующих углеводородов, в результате чего образуется снова водород и еще более тяжелый углеводород. В результате этого процесса происходит повышение вязкости масел, а сам процесс получил название вольтолизации. При длительном воздействии электрического поля увеличение вязкости может быть значительным и сопровождается образованием твердого осадка.

При приложении напряжения к электродам в газовом пузырьке могут иметь место ионизационные процессы и вольтолизация окружающих слоев жидкостей. В результате этого количество газа в пузырьке будет возрастать за счет добавления водорода, возникшего при вольтолизации. Значительное количество пузырьков газа обычно находится на поверхности электрода. В таких пузырьках заряды, противоположные по знаку полярности электрода, уходят в электрод. Таким образом, пузырек заряжается, приобретая заряд q , и на него действует

растягивающая и отрывающая сила Fотр = qE . Отрыву мешает сила поверхностного натяжения Fнат = 2πσа, где σ – коэффициент поверх-

ностного натяжения, а – радиус окружности основания пузырька на электроде, равный примерно радиусу первоначального пузырька. Таким образом, условие отрыва пузырька qE = 2πσa . После отрыва от

электрода заряженный пузырек начнет двигаться в сторону противоположного электрода и, дойдя до него, отдаст свой заряд. Можно предположить, что при первичном отрыве пузырька у поверхности электрода сохраняются остатки газа, которые служат центрами повторного процесса газовыделения. Пробой, как считает П.А. Флоренский, наступает тогда, когда поток пузырьков образует газовый мостик, в котором и возникает разряд.

В качестве условия пробоя принимается соотношение l = χа, где

l – расстояние между центрами соседних пузырьков, оторвавшихся от электрода; а – радиус пузырька; χ – некоторая константа. Естест-

224

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

венно, когда зазор жидкости между ионизированными пузырьками станет настолько малым, что электрическое поле в нем будет достаточным для пробоя, произойдет полный пробой по пузырькам и зазорам между ними.

В свою очередь, l =υ t , где υ – скорость движения пузырька,

которая по закону Стокса равна: υ = 6πqEаη , где η– вязкость жидкости; t – время между моментами отрыва близко расположенных пузырь-

ков газа. Тогда
l =	qE t	.	(2.19)
	6πаη

Таким образом, получаются два условия пробоя: 1) условие отрыва пузырька от электрода qE = 2πσa , 2) условие пробоя между пузырьками

6χ =		qE t		. Из этих двух равенств получается условие				а2η	= σа = Α .
		2						t
		πа η							3χ
Так как поверхность пузырька S = 4πа2 , то
	Sη		= 4πΑ = Β .						(2.20)
		t
Если принять, что S>>So						(So – начальная поверхность пузырька),
то S = S − S0 ≈ S , тогда η						S	= Β .
						t
Если обозначить через n число молекул, которые бомбардируются

ионами пузырька, то величина α = dndt является показателем интенсив-

ности этой бомбардировки и называется скоростью вольтолизации. Ве-

	личина	S	= f (α), т.е. возрастающая функция.
		dt
	Поэтому условие (2.19) можно записать:
	η	f (α)=		4πа	= const
	σ			3χ		(2.21)
					.

Хотя приведенное условие пробоя не позволяет определить электрическую прочность, но на его основе можно сделать некоторые качественные заключения.

С возрастанием вязкости жидкости значение f(α ), а следовательно, и α должны уменьшаться, т.е. должно уменьшаться пробивное напряжение, так как скорость вольтолизации α пропорциональна напряженности поля. Указанное соотношение иногда наблюдается на опыте.

225

Часть III. Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Скорость вольтолизации α растет с уменьшением давления, т.к. чем меньше давление, тем больше радиус газового пузырька и его поверхность, и следовательно, большее число молекул жидкости, которые окружают пузырек, могут подвергаться бомбардировке ионами. Отсюда следует, что с уменьшением внешнего давления должно уменьшаться пробивное напряжение, что, как уже указывалось, характерно для необезгаженных жидкостей.

Кроме того, можно сделать качественное заключение о влиянии степени неоднородности электрического поля на пробивное напряжение жидкости. Действительно, чем меньше радиус кривизны электрода, тем больше напряженность поля на его поверхности, тем, следовательно, чаще должны отрываться пузырьки, а поэтому должно быть ниже пробивное напряжение.

Можно также указать на качественную зависимость пробивного напряжения от частоты напряжения. Если принять, что пробой происходит за один полупериод, то время разряда, пропорциональное выше-

указанному времени t , должно быть не более T2 = 21f . Следователь-

но, с увеличением частоты t должно уменьшаться, т.е. электрическая прочность должна возрастать, что наблюдается, например, для трансформаторного масла в области низких частот. Однако при дальнейшем повышении частоты в область высоких частот электрическая прочность понижается, что связано, видимо, с переходом к тепловой форме пробоя.

Одной из теорий по влиянию газовых пузырьков на Εпр жидкости

является теория Као. Он также принимает, что газовый пузырек вытягивается в электрическом поле. При этом объем газового пузырька не изменяется. Когда произведение Рl (Р – давление в пузырьке, l – длина пузырька) достигнет величины, при которой наблюдается минимум пробивного напряжения газа, содержащегося в пузырьке, то в последнем зажигается разряд. Если l=d (d – межэлектродное расстояние) или составляет большую часть от него, то происходит пробой между электродами.

Следует отметить, что исследования пробоя необезгаженных жидкостей на импульсном напряжении показали, что пробивное напряжение не зависит от внешнего давления. Это указывает на значительную длительность развития процесса пробоя жидкости, связанного с наличием газовых пузырьков.

226