Конструкционные электротехнические материалы

Не все электроны получают энергию свыше энергии ионизации молекул. Часть из них только повышает свою энергию; говорят, что они переходят в возбуждённое состояние. Из возбуждённого состояния электроны произвольно переходят в нормальное состояние, причем при этом переходе освобождается определённая энергия в форме излучения. Это излучение также способно вызывать появление новых свободных носителей заряда. Такой механизм ионизации называется фотоионизацией. Как правило, процессы ударной ионизации и фотоионизации происходят одновременно.

Жидкие диэлектрики по многим своим свойствам близки к твёрдым диэлектрикам и существенно отличаются от газов. Например, теплоёмкость жидких диэлектриков значительно ближе теплоёмкости твёрдых диэлектриков. Вязкость жидкости заметно убывает с ростом температуры (у газов она, напротив, при этом возрастает). Ряд явлений, протекающих вблизи точки плавления твёрдых тел, указывает на аналогию поведения жидких и твёрдых диэлектриков. И те и другие относятся к сильно конденсированным системам, в которых важнейшую роль играют силы межмолекулярного взаимодействия.

Несмотря на сходство, между ними существуют и глубокие различия. Для монокристалла твердого тела характерен так называемый дальний порядок структуры, т.е. элементы кристалла периодически повторяются во всем его объёме, вдоль любой из осей. В жидкости существует только ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение имеет лишь небольшая группа молекул в пределах нескольких межмолекулярных расстояний, а дальше этот порядок уже не распространяется, причем области упорядоченного и неупорядоченного расположения постоянно изменяются вследствие теплового движения молекул. В жидкости имеются «свободные объемы», доля которых при обычной температуре достигает 0,5% объема жидкости. Наличие «свободных объёмов» допускает возможность не только колебательного, но и поступательного движения молекул в жидкости.

В технике высоких напряжений наибольшее применение имеют следующие жидкие диэлектрики: нефтяные (минеральные) масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), касторовое масло, хлорированные жидкости (трихлордифенил, пентахлордифенил и др.), кремнийорганические жидкости. Из перечисленных диэлектриков нефтяные масла и кремнийорганические диэлектрики являются неполярными жидкостями (_r=/₀ = 2 - 2,5), а касторовое масло и хлорированные диэлектрики - полярными (_r = 4 - 5,5). Все эти жидкости обладают большим удельным объёмным сопротивлением с_V = (10¹² - 10¹⁶) Омсм, которое существенно зависит от степени их очистки.

В настоящее время в ряде электрофизических устройств в качестве диэлектрика применяется вода, обладающая достаточно высокой электрической прочностью при импульсных воздействиях и большой диэлектрической проницаемостью (_r = 81). Для повышения постоянной времени саморазряда ф = с_н вода подвергается дистилляции и дополнительной очистке ионнообменными смолами. При этом можно достичь значений с_н= 2 ?10⁷ Ом?см при t = 20 °С.

Различают следующие виды проводимости жидких диэлектриков:

Ионная проводимость - вызывается перемещением ионов, которые образовались как вследствие диссоциации основных молекул жидкости или примесей, так и вследствие ионизационных процессов в жидкости.

Катафоретическая проводимость - происходит вследствие перемещения коллоидных заряженных частиц в жидкости.

Электронная проводимость - вызывается перемещением электронов, возникающих в жидкости вследствие ионизационных процессов.

Катафоретическая проводимость жидкостей возникает в результате перемещения заряженных частиц примесей (например, коллоидных частиц). Эта проводимость в ряде случаев трудно отличима от ионной, так как ионы в жидкости (особенно полярной) окружены молекулами жидкости и их размер в ряде случаев соизмерим с размерами коллоидных частиц, участвующих в катафоретической проводимости (70 - 1000) Е.

Коллоидные частицы заряжаются положительно в том случае, если диэлектрическая проницаемость частицы больше диэлектрической проницаемости среды; в противном случае они заряжаются отрицательно. Однако это правило выполняется не всегда, поскольку частицы могут изменить свой заряд вследствие перезарядки у электродов и адсорбции свободных ионов.

Частица приобретает электрокинетический потенциал U₀, который обычно составляет (0,05 - 0,07) В.

Скорость движения частиц н определяется вязкостью жидкости з_В

н = 2U₀ е E/(3з_В). (4.40)

На основании (4.40) подвижность частиц

 К = н/Е = 2U₀ е /(3 з_В). (4.41)

Как ионная, так и катафоретическая проводимость неполярных жидких диэлектриков, определяют диэлектрические потери в жидкости и связаны с величиной tgд соотношением

г = щ t gд, (4.42)

где щ - угловая частота приложенного напряжения.

При длительном протекании электрического тока через жидкость заряженные частицы примесей и загрязнений оседают на электродах. Это явление используется при электроочистке жидкостей.

В результате движения заряженных частиц в некоторых случаях у электродов со временем образуются объёмные заряды противоположного знака, что приводит к ослаблению поля в основном объёме межэлектродного промежутка и к уменьшению тока. Спадание тока со временем проявляется слабее в хорошо очищенной жидкости.

Проводимость жидких диэлектриков в сильных полях зависит от степени очистки жидкости, формы приложенного напряжения, конфигурации электрического поля, состояния, чистоты обработки и материала поверхности электродов.

Обычно в тщательно очищенных жидкостях зависимость тока от напряжённости имеет три участка: при напряжённостях менее 1 кВ/мм основную роль играет ионная или катафоретическая проводимость и соблюдается закон Ома; при напряжённостях от 1 до 10 кВ/мм имеется область насыщения, где ток слабо зависит от напряжённости; при больших напряжённостях (Е>10 кВ/мм) происходит повышение проводимости жидкости, вызывающее усиленный рост тока с увеличением напряжённости. Для технических жидкостей вследствие примесей это наблюдается уже при Е >1 кВ/мм и участок насыщения обычно отсутствует.

Зависимость проводимости от напряжённости могут вызывать следующие причины: 1) увеличение подвижности носителей зарядов с ростом напряжённости; 2) повышение концентрации носителей заряда.

Причинами увеличения концентрации носителей заряда в сильных полях могут быть следующие процессы:

дополнительное образование ионов за счёт более интенсивной диссоциации молекул жидкости и примесей;

термо- и автоэлектронная эмиссия с поверхности катода;

ударная ионизация в объёме жидкости.

Для многих электроизоляционных материалов характерна ионная электропроводность, связанная с переносом ионов, то есть явлением электролиза. В ряде случаев электролизу при прохождении через диэлектрик сквозного тока утечки подвергается основное вещество диэлектрика; примером может служить обычное стекло, в котором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать образование и перенос продуктов электролиза. При пропускании постоянного тока через стекло, нагретое для повышения проводимости (см. ниже), у катода образуются древовидные отложения (дендриты) входящих в состав молекул стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще (по крайней мере, для органических электроизоляционных материалов) встречаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвергаться диссоциации, но ионная электропроводность возникает благодаря присутствию в материале практически неизбежных загрязнений - примесей воды, солей, кислот, щелочей и пр. Даже весьма малые примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика; поэтому в технике электрической изоляции важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества.

Молионная электропроводность наблюдается в коллоидных системах, которые представляют собой тесную смесь двух фаз, причём одна фаза (дисперсная) в виде мелких частиц равномерно взвешена и другой (дисперсионной среде). Из коллоидных систем в электроизоляционной технике наиболее часто встречаются эмульсии (обе фазы - жидкости) и суспензии (дисперсная фаза - твёрдое вещество, дисперсионная среда - жидкость). Стабильность коллоидных систем объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы (молионов) электрических зарядов. При воздействии на коллоидною систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается как явление электрофореза. При электрофорезе в отличие от электролиза не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объёма системы. Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажнённых масел и т. п.

В некоторых случаях в диэлектрических материалах наблюдается электронная электропроводность, когда носителями заряда являются свободные электроны. Так, рутил ТiO₂, ряд титанатов (ВаТiO₃, СаТiO₃, SrTiO₃) и др. обнаруживают электронный характер электропроводности. Электронная электропроводность типична для металлических проводников и электронных полупроводников.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается.

Связь между ТК объёмного удельного сопротивления (ТКс) и ТК объёмного сопротивления (ТКR)

ТКс = ТКR + б, (4.43)

где б = ТКl - температурный коэффициент длины («линейного расширения») материала. Очевидно также [см. формулу (4.32)], что

ТКс_S = ТКR_S. (4.44)

Во многих случаях зависимость с электроизоляционных материалов от термодинамической температуры Т хорошо описывается формулой

с = Аexp B/T, (4.45)

где A и В - постоянные, чему соответствует линейная зависимость логарифма с от обратной величины Т

ln с = ln A + B/T. (4.46)

Иногда применяется формула

с = a exp (-bt), (4.47)

где а и b - постоянные; t - температура, С.

В этом случае

ТКс = - b. (4.48)

Условия работы электрической изоляции становятся более тяжёелыми при возрастании температуры, так как сопротивление изоляции при этом уменьшается.

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить с диэлектрика. Это объясняется тем, что растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции становятся более тяжёлыми также и при увлажнении.

Весьма сильно влияет увлажнение на с волокнистых материалов, в которых влага может образовывать сплошные плёнки вдоль волокон, пронизывающих изоляцию.

Гигроскопичные материалы для защиты от действия влаги после сушки пропитывают и (или) покрывают лаками, компаундами и т.п. При сушке электрической изоляции влага из неё удаляется и сопротивление её растёт. Поэтому при повышении температуры увлажнённого материала может даже расти (если слияние удаления влаги перевешивает влияние повышения температуры), и только после удаления значительной части влаги начинается снижение с. При быстром снятии обратного хода кривой, пока высушенный материал не успел опять впитать влагу, при повышенных температурах получаются значительно более высокие значения с , чем при низких температурах.

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением приложенного к ней напряжения. Поэтому сопротивление изоляции (электрической машины, конденсатора, кабеля и т. д.), по возможности, должно измеряться при напряжении не ниже рабочего, чтобы не получить затушенного значения. Зависимость R_из от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объёмных электрических зарядов; плохим контактом между электродами и изоляцией; изменением под действием электрического поля формы и размеров включения влаги; ионизацией газовых включений и др. При приложении к диэлектрику постоянного напряжения ток обычно спадает с течением времени, приближаясь к некоторому установившемуся значению сквозного тока утечки. Изменение тока утечки со временем связано с образованием в диэлектрике объёмных зарядов, с процессами электролиза («электрической очисткой», т.е. удалением из материала ионных примесей) и другими причинами.

Характер изменения с_S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины и времени воздействия напряжения) сходен с характером изменения с, рассмотренным выше; с_S гигроскопичных диэлектриков весьма чувствительно к увлажнению (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 - Зависимость удельного поверхностного сопротивления с_S электроизоляционных материалов от относительной влажности окружающего воздуха: 1 - парафин, 2 - янтарь, 3 - шеллак, 4 - глазурованный фарфор

Для повышения с_S диэлектриков применяют (в зависимости от вида диэлектрика) различные приёмы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т. п.

4.5 Виды электрического пробоя диэлектриков

Основные характеристики газов как диэлектриков - это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность [7,24].

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твёрдых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия: давление 1 атм.; температура 20 °С; электроды, создающие однородное поле площадью 1 см²; межэлектродный зазор 1 см. Воздух при нормальных условиях имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха, составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород к = 0,5, гелий к = 0,2, элегаз к = 2,9, фреон 12 к = 2,4, перфторированные углеводородные газы к = (4… 10).

Теплопроводность газов л также невелика по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел и жидкостей, наибольшее её значение л = 0,2 Вт/(мК) - у водорода. Для наиболее популярных газов л = 0,03 Вт/(мК) - воздух, л= 0,012 Вт/(мК) - элегаз. Для сравнения, у алюминия л = 200 Вт/(мК).

Более подробно вопросы поведения газов в слабых и сильных электрических полях изложены ниже в п. 4.7 - 4.11[1,5].

Основные экспериментальные закономерности пробоя жидких диэлектриков. Электрическая прочность хорошо очищенных жидких диэлектриков значительно превышает прочность газов и приближается к прочности твёрдых диэлектриков. Для ряда жидкостей величина электрической прочности имеет порядок 100 кВ/мм, однако сильно зависит от степени загрязнения. Например, прочность минерального масла в однородном поле может изменяться от 3 до 50 кВ/мм. Из примесей наиболее сильно влияют на электрическую прочность полярные вещества, например, влага, особенно в присутствии волокон целлюлозы.

Пробивная напряжённость жидкости растёт с увеличением плотности. При этом электрическая прочность жидкостей, молекулы которых построены из разветвлённых цепочек (изомеры), меньше прочности жидкостей, молекулы которых имеют форму прямых цепочек. Электрическая прочность жидкостей из группы ароматических углеводородов, как правило, больше, чем из группы насыщенных углеводородов. Наличие молекулярно-растворённого кислорода приводит к увеличению пробивного напряжения. Это объясняется интенсивным захватыванием электронов атомами кислорода с образованием малоподвижных отрицательных ионов. Уменьшение количества свободных электронов препятствует развитию пробоя. Содержание растворённого азота, водорода или углекислого газа не сказывается на изменение электрической прочности.

Существенное снижение пробивного напряжения может быть вызвано наличием у электродов ионизированных пузырьков газа. Появление неионизированных пузырьков с диаметром ~10 мкм не влияет на электрическую прочность.

Механизм развития пробоя в жидком диэлектрике качественно отличается от механизма развития пробоя в воздухе. В конечной стадии пробой жидкости происходит в большинстве случаев по газовому каналу. Газовый канал может быть образован в результате испарения жидкости при интенсивном местном нагреве (например, токами проводимости в местах концентрации загрязнений) или вследствие расщепления молекул жидкости с выделением газообразных продуктов под воздействием заряженных частиц (главным образом, электронов) с достаточно большими энергиями. Например, в минеральном масле в сильном электрическом поле электроны способны приобрести энергию ~3 эВ, достаточную для разложения молекулы углеводорода с отщеплением атома водорода

. (4.49)

Сильное влияние на процесс пробоя оказывают влага, а также примеси (твёрдые частицы, волокна).

Влага в жидком диэлектрике может находиться в молекулярно - растворённом состоянии и в виде эмульсии. Растворимость воды в жидких диэлектриках зависит от температуры. Так, например, в минеральном масле при 20 °С может раствориться 40?10^-6 воды по объёму, а при 80 °С - 400?10^-6.

Наличие влаги как в первом, так и во втором состоянии сказывается на электрической прочности (особенно в присутствии волокон), причём наиболее сильно влияет эмульгированная влага. Вследствие большой диэлектрической проницаемости частички влаги и волокна втягиваются в область наибольшей напряжённости электрического поля, поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий поля.

При касании электродов частички заряжаются и движутся к противоположному электроду. Это приводит к образованию «мостиков» из цепочек частиц. При образовании неполного мостика или при его нарушении возникают сильные местные напряжённости в местах разрыва цепочек частиц, вследствие чего начинаются местные ионизационные процессы и может произойти пробой всего межэлектродного промежутка.

Зависимости пробивной напряжённости минерального масла от содержания влаги для малых промежутков (S < 5см) (рисунок 4.11) показывают, что при температуре 20 С наличие 40…50 миллионных долей влаги уменьшает электрическую прочность трансформаторного масла приблизительно в 10 раз. Снижение электрической прочности в области малых концентраций вызвано влиянием растворённой влаги, а в области больших концентраций - эмульгированной влаги.

При расстояниях между электродами S > 1 см в слабонеоднородном и особенно в сильнонеоднородном поле влияние влаги и примесей значительно слабее, что объясняется затрудненностью образования цепочек, длина которых соизмерима с расстоянием между электродами.

Роль частиц примесей в снижении электрической прочности может также заключаться в следующем. Когда частица подходит близко к электроду, то в промежутке между частицей и электродом возникает повышенная напряжённость электрического поля, что увеличивает эмиссию электронов и способствует интенсивной ионизации в этой области.

Рисунок 4.11 - Зависимость электрической прочности Е_пр минерального масла от содержания влаги С_Н2О (стандартный разрядник): 1 - маловязкое трансформаторное масло; 2 - вязкое кабельное масло

Наличие влаги и волокон весьма мало сказывается на прочности жидких диэлектриков при коротких импульсах напряжения (порядка единиц и десятков микросекунд). Это объясняется тем, что вследствие кратковременности импульса за время воздействия напряжения частицы примесей не успевают переместиться на значительные расстояния и повлиять на развитие разряда в жидкости.

Пробивное напряжение как технических, так и очищенных жидкостей при промышленной частоте сильно зависит от давления. По-видимому, эти зависимости связаны с образованием в жидкости при высоком напряжении пузырьков газа, являющихся очагами развития пробоя.

В области давления (1 - 6)10⁵ Па для трансформаторного масла зависимость электрической прочности от давления может быть представлена в виде

, (4.50)

где Р - избыточное давление масла в Па; - в кВ/см.

При импульсных воздействиях увеличение давления практически не сказывается на электрической прочности жидкостей.

Если температура жидкости приближается к температуре кипения, то пробивное напряжение значительно снижается (рисунок 4.12). При этом в жидкости образуются газовые пузырьки, которые снижают ее электрическую прочность.

Рисунок 4.12 - Зависимость пробивного напряжения U_пр от температуры t для ксилола при постоянном напряжении и разных давлениях ( - - - температуры кипения при различных давлениях)

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от длительности приложения напряжения , причём, чем больше примесей в жидкости (особенно влаги и волокон), тем сильнее эта зависимость.

Типичную зависимость для технического минерального масла (рисунок 4.13) можно разбить на две области. В первой области (время воздействия с) примеси газов, влаги и волокон, которые практически всегда присутствуют в технически чистом жидком диэлектрике, не успевают переместиться на заметные расстояния и не оказывают влияния на электрическую прочность. Резкое увеличение электрической прочности при уменьшении длительности наступает при времени воздействия, соизмеримом с временем развития разряда в жидкости. Скорость прорастания канала разряда в жидкости равна (0,1 - 10) см/мкс и зависит от напряжённости поля. Поэтому увеличение импульсной прочности для расстояний (1 - 10) см происходит при <10 мкс, а для расстояний (10^-2 - 10^-3) см - при < 0,01 мкс.

Рисунок 4.13 - Зависимость пробивного напряжения U_пр технически чистого трансформаторного масла от длительности ф приложенного напряжения положительной (+) и отрицательной (-) полярности

Во второй области >10^-3 электрическая прочность начинает снижаться из-за влияния примесей, а также вследствие возможного образования в жидкости пузырьков газа.

Механизм пробоя жидких диэлектриков, содержащих примеси.

Наличие влаги (особенно в эмульгированном состоянии) в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность. Согласно теории, предложенной Гемантом, пробой увлажнённой жидкости наступает вследствие образования цепочек из поляризованных мелких водяных капель. В электрическом поле круглые водяные капли поляризуются и вытягиваются вдоль силовых линий, принимая эллиптическую форму. Удлинение капли можно характеризовать отношением их первоначального диаметра 2 к большой полуоси эллипсоида 2с.

Взаимодействие соседних капель приводит к их дальнейшему удлинению и образованию протяжённых цепочек. По этим цепочкам проходит ток, разогревающий воду до кипения, в результате чего образуется газовый канал, по которому происходит пробой. Сравнивая результаты вычислений с экспериментальными данными, Гемант установил, что для возникновения пробоя достаточно, чтобы удлинение капли под действием поля составляло (60 - 70) % половины первоначального расстояния между центрами капель. Дальнейшее удлинение и последующее слияние капель должно происходить под влиянием взаимодействия соседних поляризованных частиц. Возникающее в этом случае искажение поля каплями приводит к столь большим напряжённостям вблизи капель, что появляется возможность развития ударной ионизации и пробоя жидкости. Аналогичный процесс образования путей пробоя может иметь место при наличии в жидкости ионизированных пузырьков газа или примесей с повышенной проводимостью.

Тепловая теория электрического пробоя жидкости.

Вследствие возрастания проводимости жидкости в сильных полях происходит дополнительное местное выделение энергии. Такие процессы могут привести к местному испарению жидкости, образованию пузырьков и дальнейшему возникновению разряда вследствие ионизации газа в пузырьках. Это подтверждается экспериментальными данными: при повышении температуры жидкости до кипения её пробивное напряжение сильно снижается (см. рисунок 4.12), поэтому можно принять, что пробивной является такая напряжённость поля, при которой начинается вскипание жидкости.

Механизм пробоя очищенных жидких диэлектриков.

При развитии теории пробоя жидких диэлектриков удаётся использовать многие результаты, полученные при исследовании электрической прочности газов (например, искажение поля объёмными зарядами и т. д.). В то же время некоторые физические процессы в жидких диэлектриках ближе к явлениям, возникающим при пробое твёрдых диэлектриков, так как различия между твёрдыми веществами и жидкостью меньше, чем между жидкостью и газом. Это относится, например, к процессам рассеивания энергии электронов в жидкости, эмиссии электронов с поверхности катода и др. Механизм пробоя очищенных жидкостей в основном обусловливают следующие факторы:

эмиссия электронов с поверхности катода;

автоионизация в объёме жидкости;

ударная ионизация электронами и образование пространственного заряда в жидкости;

возникновение в жидком диэлектрике пузырьков газа, которые деформируются в поле, участвуют в образовании канала разряда, обусловливая полный пробой. Газовые пузырьки могут образовываться как в результате разложения углеводородов жидкого диэлектрика, так и вследствие вскипания жидкости под воздействием выделяемой энергии («тепловая» теория).

Образованию начальных и последующих стримеров в жидком диэлектрике может способствовать наличие частичек примесей (влага, волокна), приводящих к увеличению местных напряженностей электрического поля.

Картина развития пробоя в сильнонеоднородном поле в основном одинакова при положительной и отрицательной полярностях электрода с большей кривизной. Пробивное напряжение (импульсное и постоянное) большинства жидкостей при отрицательной полярности острого электрода значительно выше, чем при положительной.

Основные закономерности пробоя твёрдых диэлектриков. В зависимости от характеристик диэлектрика, рода напряжения и условий проведения опыта можно установить три основных вида пробоя.

1Электрический пробой диэлектриков возникает в результате чисто электрических явлений при условии, что в процессе приложения напряжения (протекания тока) исключены химические изменения в диэлектрике или его перегрев за счёт выделяющейся энергии.

2 Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении напряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжении, называемом напряжением теплового пробоя, тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во времени и разрушение диэлектрика.

3 Пробой, связанный с развитием частичных разрядов, возникающих в ослабленных участках диэлектрика, вызывает разрушение диэлектрика в процессе воздействия таких разрядов.

Кроме того, возможны смешанные виды пробоя, а также пробои, связанные с химическими изменениями диэлектрика под воздействием приложенного напряжения (например, электролитические процессы при постоянном напряжении, разрушение диэлектрика озоном и окислами азота, образующимися в результате частичных разрядов, и т. д.).

Пробивная напряжённость большинства твёрдых диэлектриков при электрическом пробое в однородном поле составляет (10² - 10³) кВ/мм.

Из теорий электрического пробоя рассмотрим модель «чисто» электрического пробоя, модель пробоя под действием частичных разрядов и наиболее проработанную теорию теплового пробоя.

Большое количество моделей рассматривают электрический пробой твёрдых диэлектриков. Считается, что электроны могут вырываться из электродов или из молекул примесей, например, путём туннельного эффекта за счёт действия сильного электрического поля или путём термоионизации примесей, и попадают в зону проводимости. Там они ускоряются и набирают энергию, достаточную для выбивания новых электронов из заполненной зоны. В некотором смысле это аналогично пробою газов, только электроны движутся не в свободном пространстве, а в зоне проводимости, взаимодействуя с колебаниями решётки и неоднородностями в виде примесей и нарушений решётки, набирая энергию для ионизации в пределах ширины зоны проводимости. В результате прохождения лавины в диэлектрике выделяется энергия, что приводит к локальному разрушению решётки и появлению канала разряда. В случае чисто «электрического» механизма пробоя не должно быть температурной зависимости электрической прочности Е(Т). Этот механизм, по-видимому, может реализоваться для чистых кристаллов с достаточно широкой зоной проводимости.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела «электрод-диэлектрик». Они возникают в процессе изготовления электроизоляционной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе эксплуатации, например, в результате вибрации или механических напряжений. Наличие пор и связанное с ними возникновение ионизационных явлений служит одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, так называемого "старения" диэлектриков.

Термин "старение" используется для обозначения ряда медленных процессов, возникающих в изоляции реальных конструкций в процессе эксплуатации. К этим процессам относятся действие высоких напряжённостей поля, температуры, развитие местных дефектов в результате ионизационных процессов. Сюда же относятся снижение механической и электрической прочности из-за увлажнения, растрескивания, загрязнения и т.д. Так, например, увеличение содержания влаги в хлопчатобумажной изоляции до 1,1 % сокращает срок её службы в 6 раз.

При постоянном напряжении ионизационные и электротепловые явления воздействует слабо, однако возникает новый вид старения изоляции - химическое старение. В этом случае возникают электролитические явления, которые постепенно приводят к химическому перерождению вещества диэлектрика и к пробою диэлектрика. Химическое старение резко возрастает при увлажнении изоляции и загрязнении её веществами ионного характера. Старение «здоровой» изоляции идёт интенсивно под действием высоких температур. Старение трансформаторного масла задерживается присадкой специальных веществ - ингибиторов, устройством азотной защиты, устраняющей контакт масла с кислородом, систематической очисткой (регенерацией) масла.

В ряде случаев тепловое старение может превалировать. Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетических установках и устройствах на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают частичные разряды.

Частичный разряд - локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика. Каждый разряд оказывает воздействие на диэлектрик за счёт образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность частичного разряда ЧР зависит от напряжённости поля. Поскольку разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, с течением времени их действие нарастает! Это ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию) и в конце концов к зарождению дендрита.

Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Образование дендрита характерно для любых видов твёрдых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 до (10 - 20) мкм [1].

Интенсивность роста дендрита зависит от напряжённости поля, и она определяет зависимость времени жизни от напряжённости и частоты воздействующего напряжения. Отметим, что поведение органических и неорганических диэлектриков под действием электрических полей различается. На переменном напряжении неорганика практически не стареет, так как в ней не происходит обуглероживания каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счёт перемещения ионов разного знака к разным электродам. Органические диэлектрики, например полимеры, на постоянном напряжении практически не стареют, так как не содержат ионов в заметных количествах. На переменном напряжении они стареют за счёт ЧР, а во влажных условиях и за счёт нового явления - водных триингов.

Водный триинг (водный дендрит) - образование разветвлённой микроструктуры в виде объёмной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, состоящей преимущественно из воды. Характерен для полиэтиленовой изоляции кабелей, работающих во влажных условиях. Растёт под действием напряжения и воды. Диаметр водного дендрита - доли микрон. За счёт высокой растворяющей и ионизирующей способности воды в структуре водного дендрита накапливаются ионы, благодаря чему каждый «куст» дендрита является электропроводным. Поэтому при прорастании структуры триинга в глубь промежутка перед дендритом увеличивается напряжённость поля. При распространении дендрита до размеров половины промежутка или более происходит пробой промежутка.

Для загрязнённых либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой - разрушение диэлектрика за счёт прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возникает вследствие положительного температурного коэффициента электропроводности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с ростом температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде

, (4.52)

где а - температурный коэффициент зависимости; - начальная температура; - электропроводность при начальной температуре.

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом [5]. Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении они определяются удельной проводимостью диэлектрика , а при переменном - тангенсом угла диэлектрических потерь tg . Так как с повышением температуры величины , а в области повышенных температур - и величины tg растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение или tg с повышением температуры, в свою очередь, приводит к увеличению выделяемых в диэлектрике потерь и к дальнейшему росту температуры; это заканчивается тепловым разрушением диэлектрика.

Рассмотрим слой однородного диэлектрика с толщиной = d, находящийся между бесконечными плоскими электродами (рисунок 4.14). Составим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесному состоянию системы. В данном случае из соображений симметрии принимаем плоскопараллельное тепловое поле с градиентом температуры по оси z. Поток тепла, входящий за 1 с в параллельный электродам слой диэлектрика толщиной dz и площадью 1 см², будет меньше потока, выходящего из слоя, на количество тепла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие диэлектрических потерь

, (4.53)

где k - коэффициент теплопроводности диэлектрика; - эквивалентная удельная проводимость диэлектрика. Для переменного напряжения

(4.54)

где - относительная диэлектрическая проницаемость; - частота приложенного напряжения.

Напряжённость теплового пробоя изменяется обратно пропорционально d.

С учётом связи между и tg по уравнению (4.54) имеем

(4.55)

где k - в кал/с град см; - в вольтах.

Приведённые выше формулы получены в предположении, что в диэлектрике при его разогреве величина напряжённости поля не зависит от координаты z. Это допущение можно считать справедливым при переменном напряжении, для которого, если пренебречь током проводимости,

(4.56)

Рисунок 4.14 - Схема диэлектрика к расчёту теплового пробоя: А, В - электроды; С - диэлектрик

Величина для большинства технических диэлектриков слабо зависит от температуры при не очень высоких частотах. При постоянном напряжении

(4.57)

и вследствие зависимости от имеет место существенная зависимость Е от z, причём слои диэлектрика, ближайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные.

В этом случае напряжённость и напряжение теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (4.55) и (4.56), в которых изменяется только функция

(4.58)

(4.59)

При d ? и c ? ₁(с) 1,0. Повышение пробивных напряжений для постоянного напряжения при тех же d и объясняется уменьшением напряжённости в центральной части диэлектрика, т. е. в области наибольших температур, и затруднением развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика на основании (4.58) и (4.59), пробивное напряжение пропорционально , а пробивная напряжённость - обратно пропорциональна. Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлектрике за счет потерь, равно количеству тепла, отводимого через электроды, установившаяся температура может оказаться слишком высокой. Разрушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода.

4.6 Механические, тепловые и физико-химические свойства диэлектриков

Общефизические характеристики, такие как плотность материала, геометрические размеры, пористость, вязкость, влагостойкость и др., нормируются для каждого вида материала и, следовательно, подлежат определению при его испытании. Кроме того, при определении других характеристик (механических, электрических) часто требуется знать вышеуказанные параметры с некоторой допускаемой погрешностью.

Линейные размеры образцов и электродов, используемых при испытании диэлектриков, измеряют с помощью таких широко известных приборов, как масштабные линейки, штангенциркули, микрометры, толщиномеры. Выбор того или иного прибора определяется значением измеряемого размера, свойствами материала (например, его твёрдостью), конфигурацией образца, требуемой точностью измерений.

Кроме традиционных приборов линейных измерений в практике научных исследований и в производстве электроизоляционных материалов нашли применение приборы с преобразователями, основанные на совершенно иных физических явлениях. К ним относятся ультразвуковые и радиоизотопные толщиномеры. Последние отличаются своей универсальностью; они годны для измерения толщины любых материалов или сочетаний основы и тонкого покрытия независимо от свойств и конфигурации изделия.

Основной физической характеристикой материала является его плотность: по ней можно судить о структуре, составе материала и о других его физико-химических свойствах; её используют для определения некоторых относительных механических характеристик, таких как прочность, модуль упругости. Так как плотность зависит от температуры материала, то принято указывать значение её с индексом температуры, например ₂₀ (или ²⁰) - плотность при температуре 20 °С. В случае пористых материалов, а также материалов, в состав которых входит несколько компонентов, определяют среднюю (кажущуюся), а в случае сыпучих материалов - насыпную плотность. Последняя представляет собой отношение массы образца к его полному объёму (кг/м³), включая объём пор. Относительная плотность есть безразмерная величина, равная отношению массы тела к массе равного объёма эталонного (условного) вещества, например воды, которая имеет максимальную плотность (1000 кг/м³) при температуре 4°С. Относительную плотность записывают с двумя индексами (например,), из которых верхний указывает температуру испытуемого вещества, а нижний - температуру воды. Если в качестве эталона принять плотность воды при температуре 20° С, то можно получить соотношение

. (4.60)

Для пористых материалов определяют истинную плотность сплошного вещества _t как отношение массы образца к его объёму.

Под влаго- и водостойкостью диэлектрика понимают способность его выдерживать воздействие атмосферы, близкой к состоянию насыщения водяным паром, и (или) воздействие водяной среды без недопустимого ухудшения его свойств. Контролируемыми параметрами при такого рода испытаниях материала являются: электрическая прочность Е_пр, удельное объёмное сопротивление , сопротивление изоляции R_из и внутреннее сопротивление Ri. Наряду с электрическими характеристиками определяют также влаго- и водопоглощение и набухание.

Влагостойкость материалов по вышеуказанным показателям определяют, помещая образцы в термовлагокамеру, где поддерживаются требуемые режимы. Таковыми могут быть температура воздуха (23±2) или (40±2) °С, относительная влажность (93±2) или (95±2) %.

Для определения влагопоглощения _a образцы, подготовленные к испытанию и прошедшие нормализацию, быстро переносят в предварительно взвешенный, плотно закрывающийся сосуд, и взвешивают, затем выдерживают положенное время в условиях высокой влажности и снова взвешивают. Погрешность определения массы не должна превышать 0,001 г. Влагопоглощение (%) определяют

, (4.61)

где m - масса образца до помещения его в испытательную камеру, мг; m₁ - масса образца после испытания, мг.

Искомое значение влагопоглощения находят как среднее арифметическое измерений пяти образцов.

Водостойкость материалов па вышеуказанным показателям определяют после выдержки образцов в дистиллированной воде при температуре (23±0,5) °С. Время выдержки зависит от вида материала и указывается в соответствующем стандарте. Оно может быть от 1 до 56 суток.

Вязкость жидких и размягчающихся электроизоляционных материалов определяют при помощи специальных приборов - вискозиметров. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость вещества. Динамическую вязкость измеряют в паскаль-секундах. Паскаль-секунда (Пас) - это динамическая вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии 1 м в направлении перпендикулярном течению, под действием давления сдвига 1 Па возникает разность скоростей течения 1 м/с. В практике испытаний применяется и другая единица вязкости - пуаз (П): 1 П = 0,1 Пас. Измерение динамической вязкости производится на основе закона Стокса или закона Пуазейля. Кинематическая вязкость v в квадратных метрах на секунду равна отношению динамической вязкости жидкости , Пас, к её плотности , кг/м³. На практике кинематическую вязкость иногда измеряют в стоксах: 1 стокс (Ст) = 10^-4 м²/с. Кинематическая вязкость v воды при 20 °С приблизительно равна 1 сСт; при этой температуре динамическая вязкость воды примерно 1 сП (0,001 Пас). Условная вязкость (ВУ) - характеристика, получаемая при определённой методике испытания. Она связана с динамической и кинематической вязкостью эмпирическими соотношениями.

По своему устройству вискозиметры делятся на капиллярные, универсальные, ротационные и ультразвуковые.

Кинематическая вязкость испытуемого материала v вычисляется с точностью до четвёртой значащей цифры

v = 1,01910^-5 g СК, м²/с; (4.62)

с Ст, (4.63)

где С - постоянная вискозиметра, мм²/с² (даёется в свидетельстве о поверке), - среднее арифметическое время истечения жидкости в вискозиметре, с; g - ускорение свободного падения в месте измерения вязкости, см/с²; 980,7 см/с² - нормальное ускорение свободного падения; К - коэффициент, учитывающий изменение гидростатического напора жидкости в результате расширения её при нагревании.

Динамическая вязкость исследуемой жидкости, Пас

= , (4.64)

где v - кинематическая вязкость, м²/с; - плотность исследуемой жидкости, кг/м³, при той же температуре, при которой определялась вязкость.

Механические испытания имеют своей целью определить прочностные свойства материалов, т. е. их способность выдерживать воздействие внешних механических нагрузок без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. В некоторых случаях при механических испытаниях определяют разрушающую нагрузку и деформацию материала после его разрушения. По характеру приложения нагрузки механические испытания делятся на статические, когда нагрузка плавно возрастает с обусловленной скоростью, и динамические, когда нагрузка воздействует на материал внезапно, в виде рывка или удара, и быстро меняется по величине и (или) по направлению. При статических испытаниях определяют разрушающее напряжение при растяжении, сжатии или изгибе, предел текучести, относительное удлинение при разрыве и относительную деформацию при сжатии, модуль упругости (Юнга) и другие характеристики; при динамических испытаниях - ударную вязкость и стойкость к вибрации. Особое место занимают такие важные параметры материала, как его твёрдость, гибкость, пластичность.

При испытании на статическое разрушение под временным сопротивлением _В понимают напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке F, предшествовавшей разрушению образца. Относительное удлинение после разрыва есть отношение приращения расчётной длины образца после разрыва к первоначальной длине. Испытание на растяжение даёт возможность оценить не только прочность материала, но и склонность к упругим и пластическим деформациям. Предел упругости - это напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,05 % первоначальной длины рабочей части образца. Предел текучести - напряжение, при котором происходит значительное увеличение деформации образца (до 0,2 % его условной длины) без увеличения растягивающей нагрузки.

Разрушающее напряжение при растяжении _рм, МПа, вычисляют по формуле

, (4.65)

где F_max - максимальная нагрузка, Н; А_о - начальное поперечное сечение, мм².

Таким же образом можно рассчитать разрушающее напряжение при разрыве _р._р по максимальной нагрузке F_разр в момент разрыва, предел текучести при растяжении _р._т при нагрузке F_P._T и условный предел текучести _р,т,у при нагрузке F_Р.Т.У.

Относительное удлинение при максимальной нагрузке, разрыве или текучести вычисляется в процентах

_Р = l_Р100/l₀, (4.66)

где l - удлинение, мм; l₀ - первоначальная расчётная длина образца, мм.

Разрушающее напряжение при сжатии _c, при пределе текучести _с,т, при условном пределе текучести _С,Т,У и при установленной условной деформации _с,_д, МПа

_с= F/A₀, (4.67)

где F - соответствующие нагрузки для определения _с, _с,т, _с.т.у, _с,д, Н; а_о - площадь минимального начального сечения образца, мм².

Разрушающее напряжение при изгибе, МПа

, (4.68)

где М_И - изгибающий момент, МНм, W - момент сопротивления, м³; F - изгибающая сила, МН; L - расстояние между опорами, м.

...