5.6. Пробой жидких диэлектриков.
Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложное явление, чем пробой газов. Жидкие, хорошо очищенные диэлектрики имеют при нормальных условиях электрическую прочность примерно на порядок выше, чем воздух. На величину Епржидких диэлектриков существенно влияет примесь нерастворенная,εкоторой отличается отεдиэлектрика. Проведенные исследования показывают, что на механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы.
В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих механизм пробоя жидких диэлектриков. Однако ни одна из них не раскрывает в полном объеме механизм этого процесса. Поэтому Епр (Unp) жидких диэлектриков определяют только экспериментальным путем. Из всех известных теорий кратко рассмотрим две теории — теплового и электрического пробоев.
5.6.1. Теория теплового пробоя
Тепловая теория объясняет механизм пробоя в жидких диэлектриках следующим образом. Нерастворенная примесь — коллоидные частицы, капельки воды, твердые частицы (волоконца бумаги, ткани, шлам и др.) — всегда присутствует в технически чистом жидком диэлектрике и обычно равномерно распределена в его объеме. Под действием приложенного электрического поля частицы этой примеси сравнительно быстро перераспределяются в объеме диэлектрика и скапливаются в местах с наиболее высокой напряженностью поля, образуя цепочки, соединяющие между собой электроды. Эти цепочки из-за разных величин диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика (у нефтяного масла ε≈ 2,2) и примеси (у водыε≈ 81) увеличивают неоднородность поля и приводят к снижению электрической прочности диэлектрика. Опыты показывают, что время образования таких цепочек мало и составляет примерно одну секунду. Образовавшиеся цепочки имеют высокую электропроводность, а значит, по ним пойдет ток сравнительно большой плотности, под действием которого они мгновенно нагреются до высокой температуры и перейдут в газообразное состояние. По образовавшимся газовым микроканалам и произойдет пробой аналогично пробою газа. В образовании газовых микроканалов также участвуют растворенные в жидкости воздух и ее собственные пары. При перемешивании жидкого диэлектрика имеющиеся в нем цепочки из нерастворенной примеси, соединяющие электроды, начнут разрушаться, а их образование станет затрудненным. Если при этом время приложения напряжения будет меньше времени, необходимого для образования цепочек, то электрическая прочность диэлектрика возрастет. ПоэтомуЕпржидких диэлектриков при перемешивании всегда выше. Этот экспериментальный факт — наглядное подтверждение решающего влияния нерастворенной полярной и полупроводящей примеси на электрическую прочность жидких диэлектриков.
5.6.2. Теория электрического пробоя
В соответствии с теорией электрического пробоя плазменный газоразрядный канал образуется в результате эмиссии электронов из катода (начальный акт пробоя), электронной ударной ионизации и фотоионизации молекул диэлектрика.
Механизм пробоя в данном случае рассматривается аналогично механизму пробоя в газах. Более высокие значения электрической прочности жидкие диэлектрики имеют, очевидно, потому, что их плотность больше плотности газов примерно в 1000 раз. Следовательно, примерно на эту величину меньше средняя длина свободного пробега электрона λ. Поэтому, чтобы электрон на пути длинойλнакопил энергию, достаточную для ионизации нейтральной молекулы (W > Wи), необходима более высокая напряженность электрического поля.
Таким образом, на первый взгляд, можно ожидать, что электрическая прочность идеального жидкого диэлектрика больше Епрвоздуха во столько раз, во сколькоλжидкого диэлектрика меньшеλвоздуха.
Однако одновременное действие механизмов теплового и электронного пробоя искажает эту зависимость.