15.2. Механизм нарушения электрической изоляции

Вещество будет являться изолятором (диэлектриком), а материал назы­ваться изоляционным, если при размещении его между электродами и приложении к электродам разности электрических потенциалов через него не протекает электрический ток, или он очень мал (10¹⁹—10¹⁶ А). Электрический ток не протекает из-за отсутствия в диэлектрике (в отличие от металлов) свободных электронов. Все электроны в диэлектрике сильно связаны с ядрами его атомов (молекул). Для разрыва этой связи нужна большая энергия. Если в диэлектрике появится свободный электрон, напри­мер, под действием космического излучения, то, двигаясь в сильном элект­рическом поле до соударения с атомом, он может набрать достаточную для его ионизации энергию с образованием еще одного электрона.

На электроны действует именно электрическое поле, поэтому главным фактором, определяющим развитие разряда в промежутке, является напряжённость электрического поля, а не напряжение на промежутке. Средняя напряжённость электрического поля в промежутке - это част­ное от деления напряжения на промежутке на расстояние между электро­дами. В реальных конструкциях высокого напряжения распределение электрического поля вдоль промежутка существенно неравномерно. Мак­симальная напряжённость электрического поля (вблизи поверхности электрода с наименьшим радиусом кривизны) может значительно превы­шать среднюю напряжённость.

Именно в области максимальной напряжённости поля формируется лавина электронов. При выполнении условия её перехода в разряд с высо­кой электрической проводимостью канала происходит полный пробой промежутка.

Собственно, исследование механизмов и разработка способов, затруд­няющих образование лавины электронов и переход ее в полный пробой промежутка, и есть предмет техники высоких напряжений в части обес­печения электрической прочности изоляции оборудования и линий элект­ропередачи. Эти исследования привели к появлению всех используемых сегодня видов изоляции.

Из всех видов диэлектриков самым доступным и дешевым является атмосферный воздух. Но он же обладает наименьшей электрической прочностью.

Радикальный путь затруднения развития лавины — повышение давле­ния газа и пропорционального уменьшения длины свободного пробега электрона. Пропорционально будет увеличиваться и напряжение между электродами (соответственно напряженность электрического поля в про­межутке), необходимое для набора электроном достаточной для иониза­ции энергии. Поэтому в современных воздушных выключателях высокого напряжения давление воздуха достигает 4,0 и более 6,0 МПа.

Наоборот, удаление газа из электрического аппарата (вакуумирование) приводит к тому, что даже появившийся начальный электрон на своем

пути от электрода к электроду не встречает молекул газа, которые он мог бы ионизировать и начать образовывать лавину электронов. Отсюда появи­лась идея вакуумной изоляции — основы современных вакуумных выклю­чателей, разрядников, ускорителей элементарных частиц.

Принципиально другой путь препятствия развитию лавины электронов — «связать» уже возникший начальный электрон, т.е. захватить его молеку­лой при первом же столкновении с ней. Этот путь реализуется использова­нием в качестве газовой изоляции так называемых электроотрицательных (захватывающих отрицательно заряженные электроны) газов. Наибольшее распространение для этой цели получил элегаз (сокращенно от «электри­ческий газ») — шестифтористая сера (SF6). Его электроотрицательные свойства настолько высоки, что там, где для обеспечения необходимой электрической прочности давление воздуха должно быть 4,0 МГТа, доста­точно давление элегаза в 0,5—0,6 МПа, что резко упрощает конструкцию аппаратов. Элегаз обладает и целым рядом других преимуществ — хими­ческая инертность, устойчивость к электрическим разрядам, блестящими дугогасящими и хорошими теплоотводящими свойствами, низкой темпе­ратурой сжижения перед другими, даже более электроотрицательными газами. Это позволяет заменять открытые распределительные устройства (ОРУ) на комплектные распределительные устройства с элегазовой изоля­цией (КРУЭ) или заменять воздушные линии электропередачи на элегазо-вые кабели высокого напряжения. Их габариты при этом уменьшаются на порядки.

К сожалению, технико-экономические характеристики КРУЭ и сило­вых кабелей, в основном стоимость, оказываются все еще в большинстве случаев (кроме их использования в крупных городах и в некоторых спе­циальных ситуациях) неконкурентоспособными по сравнению с ОРУ.

Предельный случай уменьшения длины свободного пробега электрона — переход к жидким и твердым диэлектрикам. Идеальная — «внутренняя» — электрическая прочность этих диэлектриков очень высока — десятки миллионов вольт на 1 см. Поэтому внутренняя изоляция силовых транс­форматоров, кабелей, измерительных трансформаторов тока и напряже­ния сегодня выполняется на основе жидких или твердых диэлектриков или их комбинации.

К сожалению, «внутренняя» электрическая прочность чистых жидких и твердых диэлектриков недостижима в реальных условиях из-за наличия в объеме диэлектриков и на поверхности электродов микродефектов — газовых и проводящих микровключений, влаги, шероховатостей на поверх­ности электродов. Это приводит к началу развития лавин электронов при напряженностях электрического поля в 100—500 кВ/см.

Разбиение жидкой и твердой изоляции на тонкие слои уменьшает раз­мер дефектов и вероятность их совпадения. Поэтому реальная изоляция изготавливается из тонких слоев бумаги или плёнок синтетических мате­риалов, пропитываемых трансформаторным или конденсаторным маслом, синтетическими жидкостями, элегазом под высоким давлением.

Рис. 15.1. Зависимость времени пробоя t _пр Рис. 15.2.Зависимость времени пробоя t _пр

от приложенного напряжения U _пр для от приложенного напряжения U _пр для

образцов (d= 3 мм) с однородной (а) и мно- образцов из полиэтилена в воздухе (в) и

гослойной (б) пленочной изоляцией пропитанного минеральным маслом (б)

Чаще всего используется бумажно-масляная изоляция, как наиболее дешевая. Синтетические жидкости или элегаз применяются, в основном, при тре­бовании обеспечить негорючесть изоляции. Эффективность разделения изоляции на тонкие слои и её пропитки иллюстрируется на рис. 15.1 и 15.2. Если по условиям отвода тепла от токоведущих частей оборудования требуется наличие больших по ширине (до нескольких сантиметров) каналов для циркуляции охлаждающей жидкости, в которых лавина может развиваться и даже переходить б канал разряда, то на пути разви­тия канала ставят барьер из высокопрочного диэлектрика. Такая изоляция называется маслобарьерной.