5.6. Переменные поля
В большинстве случаев полимерные изоляторы работают в переменных полях, которые, как известно, в гораздо большей степени способствуют старению и образованию дендритов. В связи с этим необходимо рассмотреть поведение полимеров в переменном электрическом поле.
В переменном электрическом поле Е = Eo•sinωt возникает переменное растягивающее напряжение
(5.8)
Это эквивалентно сумме постоянного и переменного напряжений; заметим, что знак растягивающего напряжения не меняется. Деформация и перестройка морфологии, вызванные постоянной составляющей напряжения, эквивалентны действию одной лишь постоянной нагрузки и ведут к накоплению упругой энергии. Движения полимерных цепей, в том числе проходных, под действием циклической нагрузки ведут к циклическому (частота 2ω) накоплению и высвобождению упругой энергии, которые сопровождаются ее частичной диссипацией. Это приводит к выделению тепловой энергии, способствующей молекулярному движению. Под действием циклической нагрузки система переходит в устойчивое состояние, в котором часть полимерных цепей находится в неравновесных конформациях, что приводит к увеличению свободного объема системы. Таким образом, воздействие переменного поля ускоряет образование пустот в аморфных областях полимера. Сопутствующие усталостные процессы, например изгибная деформация цепей при сжатии, также этому способствуют.
Во-первых, заметим, что диссипация энергии пропорциональна Е и, таким образом, наиболее сильна в местах локального усиления поля, например у электродов и в местах скопления пространственных зарядов. Во-вторых, для области волосных трещин в аморфной фазе следует использовать значение мнимой части податливости, которое больше средней макроскопической величины, относящейся к кристаллической фазе.
5.7. Эффекты пространственного заряда
В сильном электрическом поле заряды могут проникать в диэлектрик путем инжекции из электродов и, попадая в ловушки, образовывать пространственный заряд. Объемный заряд может также появляться в материале при разделении зарядов ионных примесей. Поля этих объемных зарядов складываются с внешним электрическим полем или вычитаются из него, что приводит к локальному возмущению поля. Следовательно, можно ожидать, что пространственный заряд должен оказывать влияние на процессы пробоя. В постоянном поле объемный заряд накапливается постепенно.
При выключении поля объемный заряд распадается за промежуток времени от нескольких секунд до нескольких часов. В случае, когда инжектированные заряды имеют тот же знак, что и электрод, а общий эффект от их появления заключается в том, что поле проникает в центральную часть диэлектрика. По этой причине объемный заряд может послужить причиной преждевременного пробоя. Разделение зарядов, начинающееся в объеме диэлектрика, способно приводить к усилению поля вблизи электродов, что в еще большей степени уменьшает долговечность изолятора. Поэтому при разработке материалов для высоковольтной изоляции необходимо контролировать возможность накопления в нем объемных зарядов, принимая меры для его снижения. Особое внимание следует уделять удалению примесей из объема материала и на границе с электродами [4].
В случае переменных полей пространственный заряд играет гораздо меньшую роль, вследствие того что изменение направления поля каждый раз отменяет результат предыдущего полупериода. Измерения все же показывают, что объемный заряд возникает и в переменном поле, что связано, по-видимому, с неоднородностью материала изолятора в объеме и на границе с электродами.