Библиографическое описание:

Кислякова Е. В. Механизмы пробоя твердых диэлектриков с неоднородной структурой // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 1-4.

Введение. Твердые диэлектрики в качестве составной части электроизоляционной системы высоковольтного оборудования играют важную роль в энергосетях всего мира. Однако, находясь под постоянным напряжением и воздействием внешних факторов, электрическая изоляция подвергается старению и утрачивает свои электроизоляционные свойства — наступает пробой. При пробое твердой составляющей изоляции оборудование выходит из строя — требуется его ремонт или полная замена.

С. Н. Колесов и Н. П. Богородицкий выделяют три основных вида пробоя твердых диэлектриков (рис. 1) — электрический, тепловой и электрохимический [6, с. 129; 1, с. 66].

Рис. 1. Основные виды пробоя твердых диэлектриков


На механизмы пробоя диэлектриков существенное влияние оказывает неоднородность их структуры, обусловленная природой исходного сырья, наличием посторонних включений и загрязнений, несовершенством процессов технологической обработки и пр. [7, с. 168]. Можно утверждать, что диэлектрики, имеющие неоднородности в своей структуре (поры, микротрещины, инородные включения), встречаются в электротехнике гораздо чаще, нежели материалы с однородной структурой.

Широта промышленного использования диэлектриков позволяет определить задачу исследования — проанализировать механизмы пробоя твердых диэлектриков и влияние неоднородности структуры диэлектрика на его прочность.

1. Электрический пробой твердых диэлектриков.

Электрический пробой твердых диэлектриков происходит, как правило, в результате перенапряжений и может протекать в диэлектриках с однородной структурой, когда практически исключено влияние тепловых процессов, электрическое старение и частичные электрические разряды в порах изоляции и на ее поверхности.

Начало исследований электрического пробоя твердых диэлектриков можно отнести к концу XVIII в. (работы В. Франца и Ван-Марума) [3, с. 103]. За свою достаточно долгую историю физика диэлектриков обогатилась большим количеством разнообразных теорий электрического пробоя, в большей или меньшей степени согласующихся с экспериментальными данными (рис. 2).

Рис. 2. Основные теории электрического пробоя твердых диэлектриков


В литературе, посвященной проблеме электрического пробоя, чаще всего рассматривают теории ударной ионизации электронами [7, с. 154–158], как наиболее теоретически обоснованные и наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. В основе механизма электрического пробоя, в соответствии с теориями этой группы, лежат процессы, приводящие к лавинообразному возрастанию числа свободных электронов проводимости.

Согласно теории Хиппеля-Каллена (теории ударной ионизации медленными электронами) требуемую для ионизации энергию электроны накапливают после нескольких столкновений. Для этого энергия, теряемая электроном в результате взаимодействия с кристаллической решеткой , должна быть меньше, чем энергия, приобретаемая им в электрическом поле . Условия пробоя в теории Хиппеля-Каллена имеют вид:

, . (1)

В теории Фрелиха (ударной ионизации быстрыми электронами) решающую роль в пробое твердого диэлектрика играют электроны, энергия которых близка к энергии ионизации . Фрелих доказал, что с увеличением напряженности внешнего электрического поля, уменьшается энергия электронов , при которой наблюдается равновесие . При этом ускоряются электроны, значение энергии которых лежит в пределах . Эти электроны, в дополнение к быстрым, и создают ударную ионизацию. Условия пробоя твердого диэлектрика в теории Фрелиха имеют вид:

, . (2)

В работе Г. А. Воробьева, С. Г. Еханина и Н. С. Несмелова [4] доказано, что в щелочно-галлоидных кристаллах (NaCl и KCl) электрический пробой обусловлен именно ударной ионизацией электронами. Однако авторы отмечают, что на механизм пробоя существенное влияние оказывают дефекты и неоднородности кристаллической структуры. Электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных участках слоя диэлектрика, где под действием электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов.

Н. П. Богородицкий выделяет в качестве отдельного вида электрический пробой неоднородных диэлектриков и отмечает, что пробивные напряжения для них, как правило, невысоки [1, с. 67–69]. Пробивное напряжение неоднородного диэлектрика существенно зависит от его толщины и площади электродов. Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы электрического поля, что приводит к существенному снижению электрической прочности материала.

2. Тепловой пробой твердых диэлектриков.

Тепловой пробой возникает вследствие нарушения теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи в диэлектрике. В результате диэлектрических потерь материал диэлектрика нагревается и происходит процесс тепловыделения, который выражается уравнением диэлектрических потерь:

, (3)

где — приложенное к диэлектрику напряжение, — частота изменения напряжения, — электрическая емкость диэлектрика, — тангенс угла диэлектрических потерь.

Образующееся тепло выделяется в окружающую среду, благодаря процессам теплопроводности токопроводящих частей установки и конвекции воздуха — происходит теплоотдача. Процесс теплопередачи выражается с помощью формулы Ньютона:

, (4)

где — коэффициент теплоотдачи, — площадь поверхности диэлектрика, — температура поверхности диэлектрика, — температура окружающей среды.

Условие теплового равновесия имеет вид:

. (5)

В случае нарушения равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи (тепловыделение превышает теплоотдачу) диэлектрик разогревается, что приводит к тепловому разрушению материала и потере электрической прочности.

Первые работы по исследованию механизмов теплового пробоя принадлежат Вагнеру, Гюнтершульцу и Штейнметцу и относятся к началу XX века [3, с. 92]. Основные теории теплового пробоя твердого диэлектрика представлены на рис. 3.

Рис. 3. Основные теории теплового пробоя


Еще в первой теории теплового пробоя, предложенной Вальтером, отмечалось, что вероятность пробоя существенно повышается в диэлектрике с неоднородной структурой. В той части диэлектрика, где наблюдается структурная неоднородность (пора или микротрещина, заполненная маслом или водой) возникают наибольшие релаксационные потери и наибольшая плотность тока, поэтому выделяется наибольшее количество теплоты [6, с. 132]. Несмотря на все выявленные недостатки, теория Вагнера дает наглядное представление о процессах, происходящих при тепловом пробое [3, с. 94].

3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков.

Электрохимический пробой возникает в результате электрического старения диэлектрика под воздействием окружающей среды и электрического поля. Воздействие внешних факторов приводит к протеканию в диэлектрике необратимых химических процессов, в результате физико-химические характеристики материала ухудшаются и его электрическая прочность снижается.

Различают естественное и электрическое старение твердых диэлектриков. Естественное старение происходит не только при использовании диэлектрического материала, но и при его хранении и обусловлено воздействием воздуха, солнечных лучей и других факторов окружающей среды. Электрическое старение происходит под действием приложенного напряжения преимущественно в порах, заполненных воздухом или влагой [6, с. 136].

Скорость электрического старения и механизмы химических процессов зависят от внешних условий и материала диэлектрика. Экспериментально доказано, что основной причиной старения органической изоляции, к которой можно отнести бумажную составляющую электроизоляционной системы энергетического оборудования, в сильном электрическом поле являются частичные разряды, протекающие в газовых порах [3, с. 188]. Процессы, приводящие к электрическому старению диэлектрика, достаточно разнообразны [3, с. 189] и представлены на рис 4.

Рис. 4. Основные механизмы электрохимических процессов


В твердых диэлектриках, в том числе в бумажно-масляной изоляции, имеются различные дефекты — трещины, поры и другие инородные включения. Включения, заполненные жидким или газообразным диэлектриком (маслом или воздухом), имеют более низкую электрическую прочность [5]. Поэтому при приложении напряжения большего, чем , во включениях начинают протекать частичные разряды, при этом ионы и электроны бомбардируют стенки газовых пор, что приводит к электрической эрозии и разрушению стенок [2, с. 41–49; 6, с. 136]. В результате объем пор увеличивается преимущественно вдоль силовых линий поля с образованием дендритов, эффективная толщина изоляции уменьшается и пробой наступает при более низкой напряженности электрического поля.

Вывод. Неоднородности в структуре твердого диэлектрика оказывают существенное влияние на механизмы пробоя, значительно искажая внешнее электрическое поле. Локальное увеличение напряженности электрического поля во включениях, а также электрическое старение и эрозия уменьшают эффективную толщину и электрическую прочность диэлектрика. Поэтому, рассчитывая предельные значения прикладываемого напряжения, необходимо учитывать возможность наличия дефектов и их влияние на электрические свойства материала.

На сегодняшний день в физике диэлектриков наиболее изученным является механизм теплового пробоя, для которого академиком В. А. Фоком разработана строгая теория, согласующаяся с экспериментом. Механизмы электрического пробоя не имеют столь однозначной теории и рассматриваются с точки зрения двух различных подходов. Первый подход в качестве основного механизма электрического пробоя выделяет ударную ионизацию электронами и представлен работами Г. А. Воробьева, А. Хиппеля, Г. Фрелиха, В. Франца. Второй подход рассматривает электрический пробой как результат перегревной тепловой неустойчивости и процессов электронной детонации под действием сильного электрического поля и разрабатывается научной школой Ю. Н. Вершинина. Теория электрохимического пробоя основывается на механизмах электрического старения диэлектрических материалов, которые достаточно хорошо изучены.


Литература:

  1. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.

  2. Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / В. П. Вдовико. — Новосибирск: Наука, 2007. — 155 с.

  3. Воробьев Г. А. Физика диэлектриков (область сильных полей) / Г. А. Воробьев, Ю. П. Похолков, Ю. Д. Королев, В. И. Меркулов. — Томск: Издательство ТПУ, 2003. — 243 с.

  4. Воробьев Г. А. Электрический пробой твердых диэлектриков / Г. А. Воробьев, С. Г. Еханин, Н. С. Несмелов. — Физика твердого тела. — № 6. — 2005. — С. 1048–1052.

  5. Кислякова Е. В. Электрическое поле в неоднородных диэлектриках / Е. В. Кислякова. — Молодой ученый. — № 12. — 2012 г. — С. 6–10.

  6. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. — М.: Высшая школа, 2004. — 519 с.

  7. Халилов Ф. Х. Техника высоких напряжений и электротехнические материалы в устройствах железнодорожного транспорта / Ф. Х. Халилов, В. В. Егоров, А. А. Смирнов. — СПб., 2007. — 544 с.

Основные термины: твердых диэлектриков, пробоя твердых диэлектриков, электрического пробоя, пробой твердых диэлектриков, электрического поля, теплового пробоя, теории теплового пробоя, механизмы пробоя, электрического пробоя твердых, механизма электрического пробоя, пробоя твердого диэлектрика, механизмы пробоя диэлектриков, Условия пробоя, Электрический пробой твердых, теории электрического пробоя, исследований электрического пробоя, теорий электрического пробоя, механизмы пробоя твердых, проблеме электрического пробоя, вида пробоя твердых

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle