5.2.3. Пробой неоднородных диэлектриков

Выше был рассмотрен механизм пробоя и влияние различных факторов на электрическую прочность воздуха для случаев, когда воздух являлся единственным диэлектриком, заполнявшим межэлек­тродное пространство. Между тем используемые на практике ди­электрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых ди­электриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения, в жидких диэлектриках — газовые пузырьки, коллоидные частицы и вещества, образующие эмульсии и суспензии. Широко используют слоистые диэлектрики (гетинакс, текстолит, миканиты и др.). Поэтому большое практиче­ское значение имеет знание картины распределения вектора напря­женности электрического поля в многослойных диэлектриках в за­висимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств.

Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состоя­ниях: твердый диэлектрик — воздух, реже — твердый диэлектрик — жидкий диэлектрик, жидкий диэлектрик — воздух (газ). В таких кон­струкциях поверхность раздела диэлектрических сред может нахо­диться под любым углом к силовым линиям поля.

Рассмотрим два наиболее простых случая, когда поверхность раз­дела расположена параллельно силовым линиям поля (рис. 5.9, а) и перпендикулярно (см. рис. 5.9, б). В обоих случаях после внесения твердого диэлектрика в однородное поле поле в межэлектродном про­странстве становится неоднородным и пробой наступает при более низком напряжении. Различным будет и механизм пробоя. В первом случае возникнет поверхностный разряд — пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика. Во втором —

ч.

/ / /

AV X / f Л/

! V H/V' ' 2 1

л

Рис. 5.9. Картина распределения линий вектора напряженности Е электрического поля в электроизоляционной конструкции, состоящей из твердого диэлектрика (/) и воздуха (2), для случаев, когда силовые линии поля направлены параллельно (а) и перпендику­лярно (б) относительно поверхности раздела диэлектриких сред

произойдет неполный пробой — пробой воздушного промежутка, рас­положенного между электродом и поверхностью твердого диэлек­трика.

Графическое представление картины электрического поля, изо­браженное на рис. 5.9, строго говоря, справедливо лишь для локаль­ных областей, лежащих вблизи поверхности раздела (по обе ее стороны) двух диэлектрических сред, например твердый диэлек­трик—воздух. Но именно напряженность поля этих локальных облас­тей и определяет величину U_r

В действительности же напряженность среднего макроскопического электрического поля Е в твердом диэлектрике (вдали от его поверхности) су­щественно отличается (см. формулу (2.8)) от напряженности внешнего элек­трического поля (в данном случае от напряженности поля в воздухе). На величину Е внутри твердого диэлектрика значительно влияют его диэлек­трическая проницаемость в и форма (см. формулы (2.12), (2.14), (2.15)). В частном случае можно считать, что Е внутри твердого диэлектрика будет в в раз меньше, чем Е в воздухе (также вдали от границы раздела).

Вектор напряженности электрического поля Е в каждой точке межэлектродного пространства можно условно разложить по отно­шению к границе раздела двух диэлектрических сред на нормальную составляющую Е_я и тангенциальную составляющую Е,. Вектор Е_я на­правлен перпендикулярно поверхности раздела, а вектор Е, — каса­тельно. Соответственно характеристики для одной диэлектрической среды будут е_1? Yi, 9„ h_l9 U_x и для другой — е₂, у₂, 9₂, h₂ U₂.

Поверхностный разряд в однородном электрическом поле

Если вектор Е направлен параллельно поверхности раздела двух диэлектрических сред (см. рис. 5.9, а), то в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела возникнут только тангенциальные составляющие в среде с е, — Е_и и в среде с е₂ — Е_2г. Нормальные со­ставляющие Е_1я и Е_2л будут равны нулю. В этом случае имеет место равенство

Е„ = Е₂,. (5.6)

Так как в рассматриваемом примере E_lr = Е,, а Е₂, = Е₂, то уравнение (5.6) можно записать в следующем виде:

Ei ⁼ Е₂.

Однако это равенство на практике из-за ряда причин никогда не наблюдается, и напряженность поля Е₂ в воздухе вблизи границы раздела с твердым и жидким диэлектриком всегда больше, чем Е^

Е₂ > Е,. (5.7)

В данном случае разрядное напряжение U_p зависит от значений е, y_s и 9 твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и распо­

ложения ее относительно силовых линий поля, формы и частоты приложенного напряжения, относительной влажности воздуха \|/_в, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и рас­стояния между ними.

Как отмечалось выше (см. 3.4.4), на поверхности твердого ди­электрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более (рис. 5.10). Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением сплошности и толщины пленки количество ионов возрастает.

Чем больше е и у₅ твердого диэлектрика, меньше краевой угол смачивания 9, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной при­месью, выше относительная влажность воздуха \|/_в (при \|/_в > 50 %) и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следо­вательно, больше в ней ионов. У стекол, кроме того, часть ионов щелочных металлов, являющихся структурными элементами стекла, переходит в адсорбированную влагу, увеличивая концентрацию заря­женных частиц (см. гл. 3.4.1). Ионы под действием электрического поля смещаются к электродам. Часть из них разряжается на электро­дах, а часть, не преодолев потенциальный барьер на границе диэлек­трик—металл, образуют объемные заряды. В результате неоднород­ность поля в межэлектродном пространстве возрастает и U_p снижается.

Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги являет­ся решающим фактором в нарушении однородности электрического по­ля, в результате чего разрядное напряжение U_p снижается.

Рис. 5.11. Распределение напряжения вдоль неосушенной поверхности стекла при напряжении, близком к разрядному

В переменном поле с каждым полупериодом напряжения ионы, не ус­певшие разрядиться на электродах, накапливаются в приэлектродных облас­тях. В результате образуются объемные положительный и отрицательный заряды, которые с каждым полупериодом увеличиваются. Однако рост объ­емных зарядов прекращается, когда устанавливается динамическое равнове-

N ~ 160 - 120 - 80 - 40 -

0 20 40 60 80

Рис. 5.10. Зависимость числа мономоле­кулярных слоев N на поверхности стекла от относительной влажности воздуха \|/_в

сие между количеством ионов, поступающих в объемные заряды и уходящих из них. Рост объемных зарядов возобновится, если увеличить приложенное напряжение. В полупериод, когда полярность электродов изменится и ста­нет такой же, как и знак соответствующих объемных зарядов, потенциал на электродах возрастет и станет выше, чем в середине межэлектродного про­странства (рис. 5.11). В результате поверхностный разряд произойдет при более низком напряжении.

На снижение U_p оказывают влияние и другие факторы. Известно (см. гл. 3.2), что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрица­тельные ионы и электроны. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой зарядов одного знака, а над ним, в воздухе — слой зарядов противоположного знака. Под действием прило­женного напряжения эти заряды вместе с ионами воды смещаются к проти­воположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных за­рядов.

На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияют не только удельная поверхностная электропроводность и краевой угол смачива­ния, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (f> 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэто­му электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, U_p снижается не­значительно.

У твердых высокогигроскопичных диэлектриков (неорганические стекла и материалы молекулярного строения с высокими значения­ми е и y_s и небольшим краевым углом смачивания (см. табл. 3.2) при относительной влажности воздуха \|/_в > 50 % на поверхности всегда образуется сплошная пленка адсорбированной из воздуха влаги про­тяженностью от электрода до электрода. В результате поверхностная электропроводность возрастает и U_p снижается.

На поверхности малогигроскопичных твердых диэлектриков, т. е. диэлектриков (низкие значения е и y_s и большой краевой угол смачи­вания), а также малопористых, с гладкой и чистой поверхностью, об­разуется прерывистая пленка влаги в форме сфероидов. Поэтому удельное поверхностное сопротивление p_s таких диэлектриков имеет высокое значение и мало зависит от влажности воздуха. Поскольку сфероиды воды включены последовательно с твердым диэлектриком, а величина е воды (е~ 81) существенно отличается от е твердых ди­электриков (е~2—10), то неоднородность поля усиливается. В ре­зультате происходит локальное повышение напряженности поля и возникают ионизационные процессы. Разрядное напряжение U_p при этом снижается, но не так сильно, как у высокогигроскопичных ди­электриков.

Таким образом, самое высокое U_p наблюдается при разряде вдоль поверхности твердых диэлектриков молекулярного строения непо­лярных (рис. 5.12). У диэлектриков полярных U_p ниже, чем у непо­лярных, и тем ниже, чем больше е и y_s твердого диэлектрика (см. рис. 5.12), и меньше его краевой угол смачивания (см. табл. 3.2). У диэлектриков ионного строения, которые содержат ионы щелоч­ных металлов и поэтому имеют более высокую удельную поверхно­стную электропроводность, U_p еще ниже, чем у диэлектриков моле­

кулярного строения полярных. Особенно значительно U_p снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлек­трика. В этом случае (см. с. 124) электрическое поле в межэлек­тродном пространстве становится еще более неоднородным, в ре­зультате разрядное напряжение снижается.

Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микро­зазоры, которые оказываются включенными последовательно с твер­дым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической прони­цаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неодно­родности поля и снижения U_p.

Из вышеизложенного вытекают три практических вывода.

Первый — радикальным и почти единственным методом повы­шения U_p изоляторов в реальных условиях, когда присутствие влаги в воздухе неизбежно, является удлинение пути смещения ионов по по­верхности (удлинение пути тока утечки) путем устройства ребер и юбок.

Второй — использование материалов с минимальной гигроско­пичностью, т. е. материалов с минимальной диэлектрической прони­цаемостью и удельной поверхностной электропроводностью и мак­симальным краевым углом смачивания (например, политетрафторэти­лен, кремнийорганическая резина).

ю"¹⁸ ю-¹⁶ ю-

у₅, См 121

Третий — недопустимость неплотного прилегания электродов к диэлектрику в электроизоляционных конструкциях, так как это ве­дет к существенному падению U_p (см. уравнения (5.14) и (5.15)). Эти дефекты устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких то- копроводящих прокладок или металлизацией поверхности диэлек­трика, соприкасающейся с электродом.

Рис. 5.12. Зависимость амплитудного разрядного напря­жения £/_р, кВ, вдоль поверхности твердых диэлектриков цилиндрической формы (d = 45 мм, h = 30 мм) при 50 Гц, \|/_в « 60 %, Т = 20 °С от диэлектрической прони­цаемости е и удельной поверхностной электропроводно­сти у₅;

1 — ПТФЭ, 2 — ПЭ, 3 — ПС, 4 — ПММА, 5 — винипласт, 6 — гетинакс, 7 — древесина, 8 — воздушный промежуток; электроды плоскопараллельные с закругленными краями