Лекция 9 Процессы в диэлектриках под действием сильных электрических полей

9.1. Элементарные процессы в газах. Лавина, стример, лидер.

9.2. Пробой в жидкостях. Эмпирические зависимости электрической прочности. Роль газовых пузырьков.

9.3. Пробой твердых диэлектриков. Электрический пробой. Тепловой пробой. Частичные разряды.

 

В предыдущей главе мы рассматривали электропроводность диэлектрических материалов под действием слабых электрических полей. В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами.

Изоляционный промежуток - устройство, или элемент устройства, содержащий электропроводные элементы с диэлектриком между ними. 

При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает новое физическое явление - электрический пробой промежутка. 

Электрический пробой - образование под действием высокого напряжения электропроводного плазменного канала в диэлектрике между электродами изоляционного промежутка.

       При этом диэлектрик перестает быть диэлектриком и напряжение между электродами уменьшается до нуля за счет разряда заряженной емкости диэлектрика через образовавшийся канал. После отключения изоляционного промежутка с жидким или газообразным диэлектриком от источника напряжения канал разряда в жидкости и в газе исчезает и после прошествия некоторого времени напряжение можно снова подавать на устройство. Электрическая изоляция этих материалов восстанавливается. В твердых диэлектриках канал разряда разрушает сам материал и не происходит самовосстановления. Напряжение на устройстве практически невозможно подать после единичного пробоя.

      Напряжение, при котором происходит электрический пробой промежутка называется электрической прочностью промежутка.

      Электрической прочностью материала называется напряженность, при которой происходит пробой материала.

      Она зависит от материала диэлектрика, конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения.

9.1. Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.

  В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами. Зависимость тока в газе при возрастании напряжения имеет три характерных участка (Рис.9.1.). Первый - линейная зависимость, второй - насыщение, третий участок - экспоненциальный рост. В этой области резко начинают расти и диэлектрические потери. Причина заключается в появлении носителей в промежутке за счет нового механизма - ударной ионизации.

 

Рис.9.1. Зависимость тока в газе от напряжения.

 

 

 

       Ударная  ионизация -это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами.

     Откуда берутся электроны с повышенной энергией? Электроны появляются из электродов, либо в результате развала отрицательного иона, либо в результате термоионизации. В электрическом поле на электрон действует сила, в результате чего он ускоряется и набирает энергию. После прохождения расстояния l приобретаемая энергия составит DW=eEl. При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

      Ионизация электронами происходит, в том случае, если кинетическая энергия налетающего электрона mV²/2 > W по схеме e+A = A⁺ +e+e. Такой тип ионизации называется прямой ионизацией. Здесь А - молекула или атом газа.

      Однако возможна ионизация и при меньшей энергии налетающего электрона, если она превышает энергию возбуждения W_возб. Такой тип ионизации называется ассоциативной ионизацией. Она происходит в два этапа, с участием возбужденных молекул A^*. Критерием начала ассоциативной ионизации является W>mV²/2> W_возб. Возможны следующие схемы

e + A = A*+ e, A* + e=A⁺ + e + e

e + A= A* + e, A* + e=A + e + W_i, e + W_i + A=A⁺ + e

e + A=A* , A* + A*=A⁺ + e

         Кроме ионизации молекул электронами возможна фотоионизация, термоионизация и автоионизация. 

Фотоионизация - выбивание электронов фотонами при энергии фотона не меньше чем энергия ионизации. 

Термоионизация - появление свободных электронов и ионов за счет тепловой энергии.  Как можно оценить по выражениям (2.5.), (2.7.), она имеет заметные скорости при температуре несколько тысяч градусов.   

    Автоионизация - вырывание электрона из молекулы за счет действия сильного электрического поля. Заметную роль в появлении электронов автоионизация начинает играть в полях более 10 МВ/см. В реальной электрической изоляции всегда следует учитывать контакт диэлектрика с электродами. При этом возможно зарождение новых носителей заряда с участием электрода фактически с помощью тех же процессов, т.е. фотоэффекта, автоионизации, выбивания электрона положительным ионом.

Как развиваются ионизационные процессы? Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой проходит определенное расстояние, называемое длиной свободного пробега.

  Длина свободного пробега, - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до неупругого столкновения с молекулой.

l_ион = 1/(4pnr²) (9.1.)

l_элект = 1/(pnr²) = kT/(p ·p·r²)

      где n- концентрация молекул, r- их радиус. Поскольку на каждом столкновении энергия теряется, то электрон не может бесконечно ускоряться и для каждого поля устанавливается определенная скорость V = b·E, где b - подвижность. Поскольку длина пробега иона в четыре раза меньше длины пробега электронов, то ударная ионизация ионами представляется маловероятной.

 

Табл.2.1. Подвижность некоторых носителей заряда в воздухе.

Тип носителей	Подвижность носителей, 10-4 м2/(В·сек)
	воздух	Водород	Пары воды
m-	1.4	6.7	0.47
m+	1.9	7.9	0,42

 

      Для сравнения оценка подвижности электронов в воздухе 0.1 м²/(В·сек). Если энергия на длине пробега достаточна, после первого столкновения в объеме появляются дополнительно 1 электрон и ион, после второго - еще 2 электрона и 2 иона и т.д. Возникает так называемая лавина.

   Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами n = n₀ e^ad. Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a = 18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

       Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины снова появился на катоде электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g - т.н. вторичный ионизационный коэффициент. Для плотности электронного тока можно получить выражение j = j₀×e/(1-g(e^ad-1)).

Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

1-g(e^ad-1) = 0 (9.2.)

Рис.9.2. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.

 

Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н. закон Пашена 

U = f(pd), или в другом виде E/p = F(pd)

       Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Характерная кривая для пробоя газов приведена на рис.9.2. Она имеет минимум, значение которого и положение зависят от типа жидкости. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи pd~1 Па×м.

        После пробоя газового промежутка он заполняется газоразрядной плазмой. В дальнейшем, в зависимости от мощности источника напряжения в промежутке развиваются различные виды разрядов. Если источник недостаточно мощен и давление невелико, то развивается тлеющий разряд. Этот разряд происходит во всем объеме, он имеет несколько характерных зон, основные из которых - темное пространство у катода и светящийся анодный столб. В темном пространстве электроны не имеют достаточно энергии для возбуждения молекул и поэтому нет свечения. В положительном столбе свечение вызвано излучением возбужденных молекул. Анодное свечение используется в люминесцентных лампах.

В случае мощного источника напряжения в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд. Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. Дело в том, что по мере удлинения лавины заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму.

Стример - распространение с высокой скоростью в промежутке проводящего и светящегося плазменного локального образования.

           Критерием перехода является выполнение условия ad = 20. Наглядно стример можно представить себе как светящийся шарик из плазмы, пробегающий от одного электрода к другому.

           По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что место где прошел стример прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее (см. лекцию 8). Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка и способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя.

            Кроме того, для линий электропередач и других систем с резконеоднородным полем возникает особое явление разряда - корона. Это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Из эмпирических зависимостей электрической прочности газов от внешних факторов отметим следующие:

Рис.9.3. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальных условиях от температуры

Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT  или n = P/kT. Для атмосферных условий влияние изменения и давления и температуры можно учесть так: E = E₀d, где d -относительная плотность d = 0.386Р/(t + 273) (рис.9.3.).

Рис.9.4. Электрическая прочность воздушного промежутка 1 мм при высоких давлениях [2]/

Зависимость от давления. В условиях лавинного пробоя при pd<100 зависимость E(p) полностью эквивалентна кривой Пашена при d = const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид кривой с насыщением.

             Зависимость от межэлектродного зазора. Для лавинного пробоя - аналогична кривой Пашена при р = const. При повышенных давлениях и малых зазорах E = 30 + A/d, где А - постоянная. Экспериментальные данные по пробою микронных зазоров показывают, что пробивная напряженность доходит до 200 кВ/см.              Зависимость от площади электродов. Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е₀S^-1/10 . Обычно эту зависимость объясняют наличием т.н. «слабых мест» на поверхности в виде неоднородностей, пленок и т.п., возрастание числа которых с ростом площади приводит к уменьшению электрической прочности.            Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого изолятора и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

        Закономерности импульсного пробоя газов

            При импульсном пробое газов увеличивается электрическая прочность относительно статического уровня. Это связано с конечным временем формирования разряда, которое, в свою очередь, обусловлено вероятностными характеристиками появления первичных электронов в промежутке, появления вторичных лавин и стримеров и т.д. Значения возникающего перенапряжения, т.е. увеличения пробивного напряжения относительно статического уровня может достигать двухкратного и более уровня.