Механизмы пробоя жидкостей реферат

Обновлено: 05.07.2024

Электрическая прочность изоляционных жидкостей зависит от большого числа влияющих факторов. Наряду с видом, длительностью и значением приложенного напряжения, а также формой, материалом и состоянием поверхности электродов на разрядное напряжение влияют содержание газов и воды, а также имеющиеся в масле примеси. Поэтому пробой жидкостей не поддается описанию какой-либо единой теорией, которая объясняла бы все наблюдаемые явления.
Рассмотрим механизмы пробоя при некоторых доминирующих факторах.

8.1.3.1. Скрытый газовый разряд.

Мостиковый пробой.

Даже если изолирующую жидкость перед заполнением устройств (силовых или измерительных трансформаторов и т. д.) тщательно отфильтровать, высушить и обезгазить (см. 8.1.5.1), то в процессе эксплуатации из бумаги и других элементов устройства в масло проникают макроскопические загрязнения (нити или другие нерастворимые частицы), а в негерметичных аппаратах, например в трансформаторах, через контактную с атмосферой поверхность попадает вода. Вода также образуется при старении масла. Нити целлюлозы впитывают влагу, в результате чего увеличивается их диэлектрическая проницаемость. При наложении электрического поля нити поляризуются и перемещаются, как и перманентные диполи, в область с максимальной напряженностью поля. Там они скапливаются, образуя проводящий мостик между электродами. Из-за высокой электропроводности мостика через него проходит ток большой плотности, в мостике выделяется джоу- лево тепло, что приводит к испарению содержащейся в нем воды, а также отдельных компонентов масла вблизи мостика, кипящих при низких температурах. В возникшем газовом пузыре и происходит пробой, который можно трактовать как локальный тепловой пробой в слабом месте [8.17, 8.22].

8.1.3.3. Измерение пробивного напряжения изоляционных жидкостей.

Электрическая прочность изоляционных жидкостей не является постоянной величиной, так как зависит от многих факторов, таких, например, как электродное устройство, длительность воздействия напряжения, форма напряжения и скорость его нарастания. Чтобы можно было сравнивать измеренные электрические прочности разных жидкостей, необходимо проводить измерения по нормированным методикам [например, VDE 0370, часть 1.12.78 (изоляционные масла); ASTMD 877 [8.24]; UTE NF CIRC 163].


Рис. 8.15. Электроды, рекомендуемые нормами VDE (η=0,97)
Рис. 8.16. Зависимости разрядных напряжения Ud (а) и напряженности Ed (б) трансформаторного масла с а'=3,Ы0-5 между электродами s ([8.2] и др.) при переменном напряжении:
1 — электроды по нормам VDE, температура 20 °C; 2 — то же, но температура 100 °C; 3 — электроды острие — острие, температура 20 °C

В соответствии с нормами VDE 0370 измерение прочности проводится следующим способом. Определяется пробивное напряжение промежутка 2,5 мм между нормированными электродами (рис. 8.15) при 20 °C. В качестве испытательного напряжения применяется практически синусоидальное напряжение частотой 50 Гц, возрастающее до пробоя со скоростью 2 кВ/с. Измеряется действующее значение разрядного напряжения. Для каждой пробы жидкости проводится шесть опытов с временным интервалом 2 мин (согласно нормам IEC 156 — спустя 1 мин после исчезновения различимых пузырьков, если это невозможно, то с интервалом 5 мин).
После каждого разряда жидкость между электродами перемешивается.
Разрядное напряжение определяется как среднее арифметическое значение из шести измерений. Различные значения разрядных напряжений в серии из шести измерений объясняются тем, что после каждого разряда возникают газы — продукты разложения масла (например, Н2 и низкомолекулярные углеводороды), которые с разной скоростью и в разных количествах растворяются в масле. Вследствие различных энергий ионизации газы, несмотря на перемешивание, оказывают влияние на разрядное напряжение при последующем пробое [8.5].



Рис. 8.17. Вероятности разрядных напряжений Р высушенного и обезгаженного трансформаторного масла при одном и том же расстоянии между электродами, но с разными формами электродов [8.25]:
1 — ASTM; 2 — UTE; 3 — VDE

Этим можно объяснить и то, что при одном и том же расстоянии s = 2,5 мм разрядное напряжение с электродами, рекомендованными нормами ASTM (плоский круг диаметром 25,4 мм), ниже, чем с электродами, рекомендованными нормами UTE (шары диаметром 12,5 мм, η = 0,87) и в свою очередь меньше, чем с электродами по нормам VDE (электроды диаметром 36 мм с радиусом закругления 25 мм, η = 0,97). На рис. 8.17 приведены результаты измерений электрической прочности разными методами с использованием большого числа экспериментов и распределения Вейбулла. Электрическая прочность характеризуется 63,2%-ным разрядным напряжением.
Согласно нормам ASTM. используются дисковые электроды диаметром 25,4 мм с острыми краями. Вдали от краев между электродами поле однородно, но повышение напряженности поля у краев приводит к пробою уже при относительно небольших напряжениях. Кроме того, у этих электродов напряженный объем масла больше, чем у остальных. Этим и объясняется меньшее разрядное напряжение, полученное по нормам ASTM. Влияние эффекта объема, вероятно, при этом имеет второстепенное значение.
В случае электродов, рекомендуемых нормами VDE и UTE, можно говорить о квазиоднородном поле, и разрядные напряжения оказываются выше, чем в случае электродов по нормам ASTM. Электроды по VDE с η = 0,97 дают заметно большие разрядные напряжения, чем по UTE с η = 0,87. Это различие необходимо учитывать при оценке данных по электрической прочности жидкостей, полученных в разных странах.
Электрическая прочность жидкости даже при определенном электродном устройстве зависит от длительности воздействия напряжения. Она уменьшается с увеличением времени воздействия, так как при этом возрастает вероятность совпадения обстоятельств, облегчающих процесс пробоя.
Скорость подъема напряжения также оказывает заметное влияние на разрядное напряжение электродного устройства с жидкостью. Чем выше скорость подъема, тем больше разрядное напряжение. Поэтому электрическая прочность при импульсном напряжении много выше, чем при переменном напряжении (рис. 8.18).

Влияние температуры, содержания газа и влаги на электрическую прочность.

На рис. 8.19 представлены зависимости электрической прочности минерального масла от температуры, полученные при s = 2,5 мм и форме электродов, рекомендуемых нормами VDE. Оказывается, что электрическая прочность при малом содержании влаги почти не зависит от температуры, в то время как при большом содержании воды зависимости начинаются с малых значений электрической прочности, которая возрастает с увеличением температуры.
Зависимости разрядных напряженностей поля как от температуры, так и от содержания воды можно обобщить, если связать их с относительной влажностью (содержащейся в масле водой, отнесенной к концентрации насыщения при температуре проведения эксперимента).



Рис. 8.18. Зависимости разрядных напряжений минерального масла от расстояния между электродами s [8.23]:

  1. — 50 %-ное импульсное напряжение (1,2/50 мкс) отрицательной полярности; 2 — то же при положительной, полярности; 3 — переменное напряжение частотой 50 Гц



Такая зависимость для минерального масла представляет собой одну кривую при любых температурах и содержаниях воды (рис. 8.20).
При увеличении относительной влажности электрическая прочность уменьшается и достигает при влажности 100% нижнего предельного значения. В области насыщения, когда вода существует в масле в виде эмульсии, пробивная напряженность не зависит от содержания воды и остается предельно низкой.



Рис. 8.20. Зависимость разрядной напряженности трансформаторного масла Ed от относительной влажности Wrel [8.2]



Часто в литературе встречается некорректное утверждение о том, что прочность изоляционных жидкостей не зависит от температуры. В высушенной жидкости (содержание воды менее 5-10-6) она действительно не зависит от температуры. Измеренная прочность увлажненной жидкости кажется не зависящей от температуры, так как в жидкости с определенным содержанием воды при нагреве уменьшается относительная влажность и прочность согласно рис. 8.20 увеличивается, хотя абсолютное содержание воды и жидкости не изменяется.
Электрическая прочность жидкостей не зависит от количества растворенного газа. Лишь в отдельных случаях установлена зависимость прочности от рода газа, которая объясняется различием физико-химических свойств газов [8.5, 8.16]. Если же газа много и он находится в диспергированном состоянии, то электрическая прочность заметно уменьшается из-за ЧР в газовых пузырьках.

Электрическая прочность в области стационарных частичных разрядов.

В электродных системах с сильнонеоднородным полем (коэффициент Швайгера η = 0,14-0,2), прежде чем произойдет пробой, наблюдаются ЧР в жидкости. Примером такой системы является система острие — плоскость, погруженная в масло. С помощью этой системы в лабораторных условиях при сравнительно невысоких затратах можно исследовать влияние загрязнений масла, остриев и краев электродов в трансформаторах, конденсаторах и т. д. на электрическую прочность различных изоляционных жидкостей.
На рис. 8.21 приведены зависимости разрядного напряжения, напряжения появления ЧР, а также частоты следования этих разрядов от расстояния между электродами системы игла — плоскость для трансформаторного масла. При расстояниях до 4 см пробой происходит сразу без ЧР. Устойчивые ЧР возникают лишь тогда, когда расстояние превышает некоторое значение (в нашем случае 4 см), что, вероятно, связано с достижением определенной степени неоднородности поля. Из рис. 8.21 отчетливо видно, что с увеличением расстояния и напряжения растет частота следования ЧР.


Уже отмечалось, что в поле, близком к однородному, электрическая прочность жидкостей сильно зависит от содержания влаги (см. рис. 8.20), в то время как газы, если они находятся в растворенном состоянии, не влияют на прочность. Аналогичная закономерность наблюдается и в неоднородном поле. Если построить зависимость напряженности появления ЧР от относительной влажности при одном и том же расстоянии между электродами (и постоянной степени неоднородности поля), то окажется, что напряженность, которая высока при малой влажности, начнет падать с увеличением влажности (рис. 8.22), т. е. электрическая прочность высоконагруженной области у острия уменьшится. Другим окажется и влияние растворенных газов. Если в сухом и обезгаженном масле растворить SF6, то напряженность появления ЧР упадет даже в области ненасыщенного раствора, при этом снижение напряженности с увеличением степени насыщения будет более медленным, чем при водяном паре.
Максимальная напряженность, приведенная на рис. 8.22, представляет собой расчетное значение напряженности в предположении, что электрод имеет форму гиперболоида, а объемный заряд отсутствует. Если отнести эту напряженность к средней напряженности Е0=U/s, то получим коэффициент усиления поля

(8.31)

равный обратной величине коэффициента η Швайгера. Для данного устройства 1/η = 445.


Таблица 8.1. Начальное напряжение частичных разрядов UTE и начальная напряженность Ете в некоторых жидкостях при гиперболическом острие радиусом r =6 мкм, расстоянии между электродами s = 4 см [8.25] и температуре 20 °C

В то время как влияние влажности важно для трансформаторов, находящихся в эксплуатации, влияние растворенного элегаза приобретает значение для трансформаторов и масляных кабелей, используемых в закрытых элегазовых распределительных устройствах, поскольку элегаз может со временем диффундировать в трансформаторы и кабели через разделительные эпоксидные перегородки.
Так как ЧР в жидкости имеют очень большое значение для силовых и измерительных трансформаторов, конденсаторов, то, как и при определении прочности, введены международные нормы для регистрации начальных напряжений и напряженностей, при этом использована система острие — плоскость, показанная на рис. 8.23.
Радиус закругления электрода, расстояние между электродами, диаметр электродов, естественно, являются определяющими для напряжения возникновения ЧР. Для того чтобы начальное напряжение сильно отличалось от разрядного, рекомендуются следующие размеры: радиус закругления 6 мкм, расстояние между электродами 4 см, диаметр плоского электрода 8 см [8.26]. Соответствующие рекомендации МЭК находятся в стадии подготовки. Данные о начальных напряжениях Ute и напряженностях ЕТE, полученные с помощью описанного устройства для различных сухих и очищенных жидкостей, приведены в табл. 8.1.
Жидкости, используемые в трансформаторах и конденсаторах, имеют разные Ute и Ете.
Влияние содержания воды и газов на напряженность появления ЧР в аналогичном устройстве уже обсуждалось ранее (см. рис. 8.22). Присутствие мельчайших включений приводит также к снижению начальной напряженности Ете.


  • Введение
  • 1 Общие сведения об электроматериалах
    • 1.2 Особенности строения твердых тел
    • 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
    • 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
    • 2.2 Основные свойства металлических проводников
    • 2.3 Металлы высокой проводимости
    • 2.4 Тугоплавкие металлы
    • 2.5 Благородные металлы
    • 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
    • 2.7 Некоторые другие металлы
    • 2.8 Сплавы высокого сопротивления
    • 2.9 Сплавы для термопар
    • 2.10 Тензометрические сплавы
    • 2.11 Контактные материалы
    • 2.12 Припои и флюсы
    • 2.13 Неметаллические проводящие материалы
    • 3.1 Электропроводность полупроводников
    • 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
    • 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
    • 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
    • 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
    • 3.6 Электрические переходы
    • 3.7 Основные полупроводниковые материалы
    • 4.1 Поляризация диэлектриков
      • 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
      • 4.1.2 Механизмы поляризации
      • 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
      • 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
      • 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
      • 4.2.3 Электропроводность газов
      • 4.3.1 Потери на электропроводность
      • 4.3.2 Релаксационные потери
      • 4.3.3 Резонансные потери
      • 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
      • 4.4.1 Пробой газов
      • 4.4.2 Пробой жидкостей
      • 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
      • 4.5.1 Газообразные диэлектрики
      • 4.5.2 Жидкие диэлектрики
      • 4.5.3 Твердые диэлектрики
      • 4.6.1 Сегнетоэлектрики
      • 4.6.2 Пьезоэлектрики
      • 4.6.3 Пироэлектрики
      • 4.6.4 Электреты
      • 4.6.5 Жидкие кристаллы
      • 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
      • 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
      • 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
        • 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
        • 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
        • 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
        • 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
        • 5.5.3 Магнитные потери
        • 5.6.1 Постоянные магниты
        • 5.6.2 Пермаллои
        • 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
        • 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
          • 6.2.1 Классификация резисторов
          • 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
          • 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
          • 6.2.4 Магниторезисторы
          • 6.2.5 Фоторезисторы
          • 6.3.1 Классификация конденсаторов
          • 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
          • 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
          • 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
          • 6.4.2 Классификация диодов
          • 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
          • 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
          • 7.1 Краткие сведения о датчиках
          • 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
          • 7.3 Электротермический эффект Пельтье
          • 7.4 Эффект Холла
          • 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
          • 7.6 Магнитоупругий эффект
          • 7.7 Фотоэффект
          • 7.8 Терморезистивный эффект
          • 7.9 Тензорезистивный эффект
          • 7.10 Пьезоэлектрический эффект
          • 7.11 Пироэлектрический эффект

          4.4.2 Пробой жидкостей

          Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

          Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят, прежде всего, от их чистоты.

          Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электродами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде, с меньшей длиной свободного пробега λ накопил энергию, достаточную для ионизации. На рисунке 4.40 показан пробой трансформаторного масла в баковом масляном выключателе.


          Рисунок 4.40 – Пробой в жидкости высокой степени очистки

          Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей. Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа (рисунок 4.41,а), т.е. проводящих каналов.


          Рисунок 4.41 – Пробой в загрязненных жидкостях: а – с пузырьками газа; б – с водой

          В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности.

          Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является влага, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях. Под влиянием электрического поля сферические капельки воды – сильно дипольной жидкости – поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой (рисунок 4.41,б).

          На рисунке 4.42 представлена зависимость трансформаторного масла от содержания воды. Как видно, водная эмульсия резко снижает электрическую прочность масла. При 65°С, когда заведомо большая часть воды находится в растворенном состоянии, масла почти в три раза превышает масла при температуре 25°С, когда вода находится в состоянии эмульсии (под обшей концентрации воды в пределах 0,02-0,1%).


          Очистка жидких диэлектриков, в частности, масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет ; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20-25 МВ/м.


          Рисунок 4.42 – Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от содержания воды:
          1 – при 65°С; 2 – при 25°С

          Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, считая жидкость плотным газом. Это основывалось на схожести картины разряда и на некоторой схожести разрядных зависимостей. Однако прямое, непосредственное применение газовых аналогий неправильно. Дело в том, что поведение электронов в жидкости кардинально отличается от поведения электронов в газе. Молекулы жидкости расположены столь близко друг другу, столь сильно взаимодействуют друг с другом, что электрон не может свободно двигаться и ускоряться в электрическом поле. В жидкости, кроме особо чистых сжиженных благородных газов, свободные электроны не могут существовать. При попадании свободных электронов в жидкость они сначала сольватируются, затем прилипают к нейтральным молекулам, образуя тем самым, отрицательные ионы. Поэтому понятие длины свободного пробега для жидкости невозможно ввести. Грубая оценка принципиальных ограничений электрической прочности может быть сделана из следующих соображений. Считаем, что электрон может ускоряться на протяжении межмолекулярного расстояния. Используя в качестве длины пробега l элект межмолекулярное расстояние l ? можно получить оценку предельной электрической прочности жидкости

          Подставляя значения l ~ 5·10 -10 м, W ~ 5 эВ, получим, что Eпред~ 10 10 В/м. Эксперименты дают значения на 3-4 порядка меньше.

          Рассмотрим характер некоторых эмпирических зависимостей электрической прочности жидких диэлектриков от различных факторов.

          Зависимость от давления
          Электрическая прочность жидкостей зависит от давления достаточно слабо Е ~p 1/6-1/12 . Иногда эту зависимость представляют в виде кривой с насыщением.

          Температурная зависимость.
          Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например для технически чистого трансформаторного масла электрическая прочность с ростом температуры от отрицательных температур до 30-40 ° С уменьшается, затем возрастает в диапазоне до 50-70 ° С и потом снова убывает. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение. Объяснение этому будет дано ниже.

          Зависимость от межэлектродного зазора.
          При малых зазорах пробивная напряженность поля резко нарастает с уменьшением зазора. Согласно экспериментальным данным в микронных зазорах пробивная напряженность доходит до 10 МВ/см.

          Зависимость от площади
          Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е=Е0S -1/10 . Несомненно, что, как и в случае пробоя газа, она обусловлена вероятностными характеристиками инициирования пробоя.

          Зависимость от влажности.
          Эта зависимость проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды.

          Закономерности импульсного пробоя:
          При импульсном пробое жидкостей также увеличивается пробивное напряжение по мере укорочения длительности импульса. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10-20 МВ/см.

          Для практических целей предложено и широко используется обобщение эмпирических зависимостей в виде т.н. формулы Мартина.

          где постоянная M зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса t следует подставлять в микросекундах, давление в атм., а площадь электродов S - в см 2 . Постоянная А составляет 0.7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0.6 МВ/см для глицерина, 0.5 МВ/см для этилового спирта, 0.6 МВ/см для воды в случае пробоя с катода, 0.3 МВ/см в случае пробоя с анода.

          Для пробоя жидкостей существуют специфические зависимости электрической прочности от наличия примесей. В принципе, увеличение количества таких примесей, как механические примеси, пузырьки, ионогены и ионофоры (см.гл.1), приводит к уменьшению электрической прочности. Зачастую электрическая прочность является не физической характеристикой жидкости, а технологической характеристикой жидкости и способа ее приготовления.

          К настоящему времени не существует теории, позволяющей получать оценки электрической прочности из "первых принципов", т.е. исходя из физической картины предпробивных явлений. Наиболее очевидной представляется гипотеза об ударной ионизации электронами молекул жидкости. На основе этой гипотезы разработан ряд моделей пробоя, позволяющих оценить электрическую прочность простых углеводородных жидкостей и даже предсказать характер изменения электрической прочности с разветвлением структуры молекул. Например, в одной из моделей, разработанных для углеводородов, считается, что электроны при движении в жидкости взаимодействуют с колебаниями связи С-С или С-Н. Энергия колебаний Wv= h n ~10 -2 -10 -1 эВ много меньше, чем энергия ионизации Wi ~10 эВ. Если электрон набирает энергию больше Wv , то по мнению авторов, он может двигаться без потерь до достижения энергии ионизации. Подбор параметров дает возможность получить значения электрической прочности Eпр, близкие к экспериментальным данным. Однако при слабых изменениях внешних условий: температуры Т, давления Р, длительности импульса t теоретические оценки существенно расходятся с экспериментом. Согласно моделям Eпр является характеристикой жидкости и не зависит от Т и Р, тогда как в эксперименте Eпр может изменяться в несколько раз при изменении температуры и давления. Столь явное расхождение требует учета других процессов, зависящих от внешних условий.

          Появление моделей, связанных с зарождением в жидкости парогазовой фазы, позволило объяснить на качественном уровне ряд зависимостей. Критерии пробоя основаны на создании условий для появления пузырьков за счет кипения жидкости при протекании тока, либо за счет кавитации под действием электростатических или кулоновских сил. Принципиальными недостатками моделей являются несоответствие эксперименту расчетных зависимостей Eпр(t,P). Расчетная электрическая прочность оказывается одинаковой для импульсов любой длительности, что явно противоречит практике. Согласно экспериментальным данным Eпр(t) в микро- и субмикро-секундном диапазоне меняется как t -(1/3-1/5) . Что касается давления, то в моделях зависимость Е(P)~P 1/2 , что значительно расходится с экспериментом Е(P) ~P (1/6-1/8) .

          Непротиворечивую модель развития предпробивных процессов можно представить следующим образом. При действии электрического поля на пузырьки, заранее существующие в жидкости, в них возникают ионизационные процессы (частичные разряды по закону Пашена) после достижении на их размере падения напряжения Up. После разряда поле в пузырьке уменьшается вследствие экранирования осевшими зарядами внешнего поля, что вызывает ослабление, либо прекращение ионизационных процессов. Действие электрического поля на осевший заряд приводит к движению стенки пузырька и его вытягиванию вдоль поля, а также к продвижению заряда вглубь жидкости со скоростью, определяемой подвижностью носителей заряда. При этом возможны две ситуации: поддержание разряда в виде “тлеющего разряда”, либо прекращение разряда. В первом случае на пузырьке поддерживается некоторое напряжение, по-видимому, соответствующее закону Пашена. В последнем случае напряжение на пузырьке растет, что ведет к повторному частичному разряду и движению в жидкости новой волны зарядов. Определяющий параметр - давление на стенку пузырька, обусловлен действием кулоновских сил на инжектированный заряд и ростом давления в пузырьке за счет нагрева газа в нем. Зажигание разряда в жидкости произойдет тогда, когда напряженность поля в жидкости, вблизи полюса пузырька, достигнет критического значения. Пробой произойдет после пересечения промежутка каналом разряда. Эта модель позволяет, полуколичественно, объяснить практически все экспериментальные зависимости: от давления, от температуры, от вязкости, от длительности воздействующего импульса (рис.3.5) и т.д.

          Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложные явления, чем пробой газа. На механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы. Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от температуры, давления, частоты и формы напряжения, формы м материала электродов, а также от наличия примесей.

          Например, при увеличении содержания воды в нефтяных маслах, электрическая прочность понижается, но с увеличением температуры при таком же содержании воды, электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается. Эту зависимость отображает рисунок 3.


          Рисунок 3 – Зависимость электрической прочности нефтяного масла

          при разных температурах от содержания в нем воды

          Механизм пробоя и значения электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят от их чистоты.

          – ударной ионизации электронами;

          – холодной эмиссии с катода.

          Электрическая прочность тщательно очищенных жидких диэлектриков на порядок выше, чем газообразных и составляет свыше 100 МВ/м.

          В технически чистых диэлектриках имеет место электротепловой пробой. Механизм пробоя технических диэлектриков зависит от содержания примесей и, в первую очередь нерастворенных полярных в виде эмульсии, суспензии или коллоидных части (например, воды, находящейся в состоянии эмульсии), твердых частиц.

          Электрическая прочность увлажнённого трансформаторного масла имеет служную температурную зависимость (рисунок 4).

          Это объясняется различными агрегатными состояниями воды в масле. Вода в жидком диэлектрике может находиться в растворенном, эмульсионном и свободном состоянии. Минимальное значение электрической прочности масло имеет при температуре минус 5 °С, минус 8 °С. Это вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию в виде микрольдинок, а вязкость масла при этом увеличивается. Образуется большая разница в значениях диэлектрической проницаемости воды и масла, что приводит к образованию резконеоднородного электрического поля и вследствие этого - к существенному снижению Unp масла. При дальнейшем понижении температуры диэлектрическая проницаемость льда уменьшается. В результате этого электрическое поле становится более однородным и Unp масла возрастает. С увеличением температуры воды переходит в растворённое состояние. Электрическое поле становится более однородным, вследствие этого Uпp масла возрастает. Сухое трансформаторное масло имеет большое значение электрической прочности, чем увлажнённое и практически не изменяется до температуры + 70° С.


          Рисунок 4 – Зависимость Епр на переменном напряжении от температуры

          1 -сухое трансформаторное масло, 2 - увлажненное трансформаторное масло

          Масло, побывавшее в эксплуатации, подвергается окислению, в нем появляются твердые и жидкие примеси, происходит процесс старения. Существует несколько способов очистки и восстановления электрических свойств масла:

          – Для удаления растворенной влаги, газов и твердых примесей из масел, используемых в электрических аппаратах напряжением до 35 кВ, нагретое до плюс 40-60 °С масло пропускают через центрифугу.

          Недостаток - опасность окисления масла.

          – Для электрических аппаратов напряжением свыше 35кВ, масла содержащие влагу и примеси, очищают путем термовакуумной обработки в специальных аппаратах.

          – Для удаления механических загрязнений и воды масла пропускают через фильтр-прессы.

          – Сильно окисленное масло (кислотное число ниже 0,4 мг КОН на 1 г) нуждается в регенерации (восстановлении). Для этого используется метод контактирования масла с различными природными и синтетическими адсорбентами при температуре плюс 50-60 С .

          Основные характеристики регенерированного масла должны соответствовать нормам на свежие масла.

          Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от однородности электрического поля: с увеличением неоднородности электрического поля пробивное напряжение снижается.

          В неоднородном поле в жидкости может произойти неполный пробой (корона). Под действием короны происходят процессы интенсивного разложения и образования продуктов распада (горючих газов и сажи), которые резко снижают электрическую прочность. При переходе коронного разряда в дуговой, процессы разложения резко ускоряются.

          В соответствии с правилами технической эксплуатации (ПТЭ) оценка электрических свойств чистого сухого и эксплуатационного масел производится по пробивному напряжению. Испытание масла на пробой производится между латунными дисковыми плоскими электродами диаметром 25 мм., расположенными внутри стандартного фарфорового сосуда на расстоянии 2,5 мм. Края электродов закруглены. Тип испытательной установки АИИ-70.

          Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика, то есть нарушением его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряжённости поля – электрической прочностью диэлектрика.

          Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесённым к току диэлектрика в месте пробоя:


          где Uпр – пробивное напряжение, а h – толщина диэлектрика.

          Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов. Одним из главных факторов, способствующих пробою, является наличие в них посторонних примесей.

          Предельно чистые жидкости получить крайне трудно. Постоянными примесями в жидкостях являются вода, газы и твёрдые частицы.

          Наличие примесей вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ. Поэтому представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примесей.

          При высоких значениях напряжённости электрического поля может происходить вырывание электронов из металла электродов и разрушение молекул самой жидкости за счёт ударов заряженными частицами. При этом большая электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными, объясняется значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.

          Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости (за счёт энергии, выделяющейся в сравнительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами.

          Наличие воды в жидком диэлектрике, даже в очень небольших количествах, сильно снижает его электрическую прочность. Вода при нормальной температуре не смешивается с жидким диэлектриком, а содержится в нём в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля эти капельки воды (сильно полярной жидкости) поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

          Наблюдается своеобразная зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду от температуры. При повышении температуры выше комнатной, вода переходит из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора, в котором она более слабо влияет на величину электрической прочности. Вследствие этого электрическая прочность жидкого диэлектрика, в частности трансформаторного масла, возрастает до некоторого максимума. А дальнейшее снижение электрической прочности объясняется явлениями кипения жидкости. При снижении температуры при условии, когда вода не успевает испариться из масла, электрическая прочность изменяется по той же кривой. В сухом масле, не содержащем воды, электрическая прочность не зависит от температуры в пределах до 80 о С, когда начинается кипение лёгких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости.

          Увеличение электрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связывают с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой.

          Твёрдые вкрапления (сажа, волокна и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

          Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки она повышается до 20 – 25 МВ/м.

          На пробой жидких диэлектриков, как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и в газах, может быть неполный пробой – корона. Сколь либо длительная корона в жидких диэлектриках недопустима, так как она вызывает разложение жидкости.

          Так же к факторам, влияющим на электрическую прочность, следует отнести частоту тока. С увеличением частоты электрическая прочность жидких диэлектриков уменьшается.

          3. Что происходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Начертите вольт-амперную характеристику полупроводникового диода с кратким объяснением этой характеристики.

          В электротехнике особое значение получила односторонняя электропроводность пластинки, состоящей из половинок с разными типами электропроводности (p и n). На этом принципе основано действие полупроводниковых диодов.

          Электроды, на которые может быть подана определённая разность потенциалов, наложены на торцы пластинки.

          Полупроводниковые диоды разных типов имеют примерно следующую вольт-амперную характеристику.


          В правой части характеристики дана зависимость прямого тока от напряжения в пропускном (прямом) направлении. В левой части – зависимость обратного тока от напряжения в запирающем (обратном) направлении. Численные значения токов и напряжения изменяются в очень больших пределах в зависимости от свойств полупроводника.

          Читайте также: