Пробій рідких діелектриків

У ряді високовольтних пристроїв (трансформатори, конденсатори, кабелі, прохідні ізолятори й т.п.) використовується як ізоляція поряд з іншими матеріалами рідинні діелектрики. Серед них найбільше поширення одержали трансформаторне, кабельне й конденсаторне масла (виробляються із нафти при зростаючому ступені очищення), а також синтетичні рідини: совол (суміш хлорованих дифенілів), совтол (суміш совола й трихлорбензолу), фторорганічні рідини типу C₈F₁₆O,C₆(F₁₀)₂O,(C₄F₆)N, рідкі кремнійорганічні полімери з ряду силоксанів, деіонізована вода.

Пробивна напруга рідин значно вища, ніж газів. Крім того, рідинна ізоляція інтенсивніше відводить теплоту, поліпшуючи тим самим енергетичні характеристики устаткування,

Однак, незважаючи на широке поширення рідинних діелектриків, фізичні процеси, що відбуваються у них у сильних електричних полях, вивчені дуже слабко, особливо з теоретичної сторони. Основна причина полягає в тім, що до теперішнього часу практично не існує теорії рідинного стану, подібної до статистичної теорії газів або зонній теорії кристалів. Крім того, явища в рідині відрізняються великою складністю й сильною залежністю від ступеня забруднення рідини.

На даний час прийнято, що пробій рідин має значно більше загального із пробоєм газів, ніж із пробоєм твердих тел.

Провідність рідин у слабких полях обумовлена дисоційованими забрудненнями й дією космічного випромінювання. У ретельно очищених рідинах основну роль грає іонізація космічним випромінюванням. Так, наприклад, провідність n - гептану зменшується від 2 10^-10 до 9·10^-20 Ом^-1см^-1 при екрануванні вимірювальної посудини шаром свинцю товщиною 6 см.

У сильних полях ініціюючі електрони можуть поставлятися також автоемісією або емісією Шотткі з катода. Перевагу варто віддати емісії Шотткі, у якій ураховується вплив поля, температури й об'ємного заряду, абсорбованого на катоді, на ймовірність виходу електрона. Схематично цей процес зображений на рис. 26.

Рис. 26. Контакт метал-рідина в електричному полі.

Емісійний струм для випадку проходження електрона над другим бар'єром дорівнює

Можна допустити також існування дисоціації, що залежить від величини прикладеного електричного поля. Зниження енергії, яку необхідно витратити на відривання іона від молекули в електричному полі, становить

,

де r₀ - відстань від рівноважного положення до максимуму потенційного бар'єра.

При цьому ймовірність відривання

експоненціально росте зі збільшенням напруженості поля.

Кількість електронів, що з'явилися в проміжку, може збільшуватися в результаті ударної іонізації. При відсутності вторинних процесів для струму через діелектрик має місце звичайне співвідношення

,

де j₀ - струм у катода;

α - коефіцієнт ударної іонізації;

d – довжина проміжку.

При великих d можуть спостерігатися відхилення від цієї залежності, що обумовлені рекомбінацією носіїв.

Експериментальні результати свідчать, що в порівняно слабких полях (E < 100 кВ/см ) переважає іонна провідність. При посиленні поля на перший план виступає електронна емісія з катода, на яку дуже сильно впливають поверхневі шари на електроді. Так, наприклад, струм у толуолі при платино-іридієвих електродах може змінюватися на п'ять порядків залежно від того, адсорбовані на електроді іони кисню чи водню (кисень підвищує роботу виходу, водень – знижує) (рис. 27).

Рис. 27. Вольт-амперна характеристика гексану при платино-іридієвих електродах, на яких адсорбований кисень (І) і водень (2). 3 - крива Шотткі (теоретична).

У процесі протікання струму на катоді можуть осаджуватися іони, що утворюються при дисоціації домішок або самої рідини. При цьому спостерігається процес установлення струму в часі.

Слід зазначити, що наведені закономірності не можна вважати остаточно встановленими. Експериментальні дані різних авторів суперечать одні іншим, і завершена картина провідності в рідинах відсутня.

Найбільш ймовірними основними елементарними процесами в рідинах можна вважати електронну емісію з катода й збільшення кількості електронів у самому проміжку в результаті ударної іонізації. Саме порушення стійкості цих двох процесів і повинно вести до пробою рідини. Роль зворотного зв'язку (вторинних процесів) при цьому можуть грати процеси осідання позитивних іонів на катоді або викривлення поля об'ємними зарядами.

Зовні картина розвитку розряду в рідині аналогічна тій, що була розглянута для газів, - можна спостерігати й стримерну корону, і іскровий розряд, і дугу. Однак, умова пробою для рідин, на відміну від газів, в аналітичному вигляді не сформульована через велику кількість факторів, що впливають на розвиток пробою в рідині. Тому розглянемо більш докладно емпіричні закономірності пробою рідких діелектриків.

Як і у всіх інших випадках, що відносяться до дослідження рідин, результати експериментів із виявлення впливу матеріалу електродів на величину пробивної напруги дуже суперечливі. Можна зробити висновок, що основна причина розбіжностей полягає в різному ступені обробки й чистоти електродів. Електрична міцність гептану й бензолу залежно від ступеня полірування й дегазації електродів може змінюватися від 100 до 1700 кВ/см. Ця залежність E_np від мікрорельєфу й кількості адсорбованого на катоді газу маскує вплив матеріалу електродів. Крім того, роль катода різна і залежить від того, чи починається в полях, достатніх для електронної емісії, інтенсивна ударна іонізація чи ні. Якщо спостерігається інтенсивна ударна іонізація, роль катода істотна. І, навпаки, при слабкій ударній іонізації процеси на катоді стають, при полях, достатніх для ударної іонізації, настільки інтенсивними, що матеріал катода вже не грає помітної ролі.

Отже, якщо створити умови для інтенсивної ударної іонізації в проміжку при порівняно слабких полях на катоді, то можна виявити вплив матеріалу катода. Дійсно, у проміжку вістря - площина, коли катодом служить площина, E_np для різних матеріалів має різне значення (рис. 28).

І - алюміній, 2 - мідь, 3 - хром.

Рис. 28. Вплив матеріалу електродів на пробивну напругу n - гексану.

Якщо вплив електродів був пов'язаний з умовами емісії електронів з катода, то на збільшення кількості носіїв повинні впливати структура й стан рідини.

Насамперед , відзначимо збільшення E_np рідини при зменшенні довжини проміжку, що спостерігається в проміжках менше 50 мкм (рис. 29).

1 – 50.8 мкм; 2 – 63,5 мкм; 3 – 85,9 мкм

Рис. 29. Залежність електричної міцності гексану від тривалості імпульсу

при довжині проміжку

Цей ефект може бути пояснений або існуванням біля електродів областей об'ємного заряду, або, за аналогією з газами, зниженням ефективності ударної іонізації зі зменшенням довжини проміжку.

Пробивні напруги рідин у проміжках вістря-площина, як і у випадку газів, залежать від полярності вістря. При позитивній полярності вони вищі, ніж при негативній, внаслідок екрануючої дії об'ємного заряду. Слід зазначити, що екрануюча дія об'ємних зарядів у рідинах менш ефективна в порівнянні з екрануючою дією у газах через рух рідини в сильному електричному полі. На співвідношення пробивних напруг впливає також інтенсивна емісія електронів з вістря при його негативній полярності.

Для ретельно очищених рідин можна встановити ряд зв'язків між U_np і молекулярними характеристиками. U_np зростає зі збільшенням в'язкості, температури кипіння, молекулярної ваги, теплоти випаровування, густини й поверхневого натягу рідин і знижується з ростом термодинамічного потенціалу.

Таким чином, як і у випадку газів, U_np рідин визначається міжмолекулярною взаємодією. Можливо, це пов'язане з тим, що саме вони визначають втрату енергії електроном, прискореним у електричному полі. Крім того, при великих струмах може спостерігатися випаровування або розкладання рідини й утворення бульбашок газу, у яких потім розвивається пробій. При цьому, чим вища температура кипіння й більша теплота випаровування, тим більша електрична міцність рідини.

Досить істотно впливають на величину U_np рідин температура й тиск. Будь-які зміни температури супроводжується зміною густини, а, отже, і електричної міцності рідини. Зі зміною температури змінюється також рівноважна концентрація носіїв у рідині, умови їхнього розсіювання при прискоренні, умови емісії електронів з катода. У результаті зміни в'язкості змінюється рухливість носіїв. Велике значення може мати також зміна відносного вмісту газу в рідині при зміні температури.

Якісна залежність U_np від температури наведена на рис. 30.

І – пентану; 2 – октану.

Рис. 30. Залежність електричної міцності рідинних діелектриків

від температури.?

Якщо в рідині є розчинений газ, то її U_np підвищується зі збільшенням тиску (рис. 31). Найбільш імовірним поясненням цієї залежності є погіршення умов для утворення газових бульбашок у рідині при збільшенні тиску й збільшення U_np газу в них. У ретельно дегазованій рідині U_np не залежить від тиску. Деяку роль може відігравати й зміна рівноважного стану адсорбованої на катоді плівки газу, що з ростом тиску повинна розчинятися.

Найбільш істотний вплив на величину U_np рідин, особливо неполярних типу трансформаторного масла, мають домішки. Найпоширенішою домішкою є вода. Вода може перебувати в розчиненому стані, тоді вона не істотно впливає на U_np, або у вигляді емульсії.

Рис. 31. Залежність електричної міцності масла парафінового ряду від тиску.

при концентрації води: 1 - 0,002;%, 2 - 0.01%, 3 - 0.05%. 4 - 0.1%.

Рис. 32. Залежність електричної міцності трансформаторного масла від температури

1 – технічного; 2 – очищеного.

Рис. 33. Залежність пробивної напруги трансформаторного масла від часу.

U_np масла різко знижується зі збільшенням вмісту емульгованої води (рис. 32). Пробій зволоженого масла звичайно відбувається вздовж ланцюжків крапельок води, що утворюються під впливом електричного поля. З цієї же причини особливо різке зниження U_np спостерігається при наявності в маслі твердих гідрофільних часток. При зволоженні їх e зростає, вони починають орієнтуватися в полі й утворюють слабкі в електричному відношенні містки між електродами. Вздовж цих містків і відбувається пробій рідини.

У різко нерівномірному полі крапельки води й тверді домішки розбігаються від електрода, утворення містків ускладнюється, і вплив забруднень на U_np різко знижується. Відсутня залежність U_np від ступеня забруднення також при імпульсах напруги, коли містки не встигають створюватися. Пробивна напруга рідин істотно залежить від форми діючої напруги і, в першу чергу, від тривалості її прикладення (рис. 33). Ріст U_np при t < 10 мкс пояснюється статистичним запізнюванням пробою (пробій при низьких U не встигає сформуватися). Зниження U_np при t>10^-2 с пояснюється впливом домішок.

Орієнтовний розрахунок U_np трансформаторного масла при змінній напрузі для електродів вістря-вістря можна проводити за формулою

U_np =39,4d^0.6

а для проміжку вістря - площина

U_np =18,7d^0.75 npu 3£ d£ 20 см

U_np =26,6d^0.64 npu 30£ d£ 80 см

Совол і совтол мають приблизно в 2-2,5 рази меншу електричну міцність у порівнянні із трансформаторним маслом, що необхідно враховувати при конструюванні ізоляції.