Механизмы пробоя твердых диэлектриков с неоднородной структурой

Введение. Твердые диэлектрики в качестве составной части электроизоляционной системы высоковольтного оборудования играют важную роль в энергосетях всего мира. Однако, находясь под постоянным напряжением и воздействием внешних факторов, электрическая изоляция подвергается старению и утрачивает свои электроизоляционные свойства — наступает пробой. При пробое твердой составляющей изоляции оборудование выходит из строя — требуется его ремонт или полная замена.

С. Н. Колесов и Н. П. Богородицкий выделяют три основных вида пробоя твердых диэлектриков (рис. 1) — электрический, тепловой и электрохимический [6, с. 129; 1, с. 66].

Рис. 1. Основные виды пробоя твердых диэлектриков

На механизмы пробоя диэлектриков существенное влияние оказывает неоднородность их структуры, обусловленная природой исходного сырья, наличием посторонних включений и загрязнений, несовершенством процессов технологической обработки и пр. [7, с. 168]. Можно утверждать, что диэлектрики, имеющие неоднородности в своей структуре (поры, микротрещины, инородные включения), встречаются в электротехнике гораздо чаще, нежели материалы с однородной структурой.

Широта промышленного использования диэлектриков позволяет определить задачу исследования — проанализировать механизмы пробоя твердых диэлектриков и влияние неоднородности структуры диэлектрика на его прочность.

1. Электрический пробой твердых диэлектриков.

Электрический пробой твердых диэлектриков происходит, как правило, в результате перенапряжений и может протекать в диэлектриках с однородной структурой, когда практически исключено влияние тепловых процессов, электрическое старение и частичные электрические разряды в порах изоляции и на ее поверхности.

Начало исследований электрического пробоя твердых диэлектриков можно отнести к концу XVIII в. (работы В. Франца и Ван-Марума) [3, с. 103]. За свою достаточно долгую историю физика диэлектриков обогатилась большим количеством разнообразных теорий электрического пробоя, в большей или меньшей степени согласующихся с экспериментальными данными (рис. 2).

Рис. 2. Основные теории электрического пробоя твердых диэлектриков

В литературе, посвященной проблеме электрического пробоя, чаще всего рассматривают теории ударной ионизации электронами [7, с. 154–158], как наиболее теоретически обоснованные и наилучшим образом согласующиеся с экспериментальными данными. В основе механизма электрического пробоя, в соответствии с теориями этой группы, лежат процессы, приводящие к лавинообразному возрастанию числа свободных электронов проводимости.

Согласно теории Хиппеля-Каллена (теории ударной ионизации медленными электронами) требуемую для ионизации энергию электроны накапливают после нескольких столкновений. Для этого энергия, теряемая электроном в результате взаимодействия с кристаллической решеткой , должна быть меньше, чем энергия, приобретаемая им в электрическом поле . Условия пробоя в теории Хиппеля-Каллена имеют вид:

, . (1)

В теории Фрелиха (ударной ионизации быстрыми электронами) решающую роль в пробое твердого диэлектрика играют электроны, энергия которых близка к энергии ионизации . Фрелих доказал, что с увеличением напряженности внешнего электрического поля, уменьшается энергия электронов , при которой наблюдается равновесие . При этом ускоряются электроны, значение энергии которых лежит в пределах . Эти электроны, в дополнение к быстрым, и создают ударную ионизацию. Условия пробоя твердого диэлектрика в теории Фрелиха имеют вид:

, . (2)

В работе Г. А. Воробьева, С. Г. Еханина и Н. С. Несмелова [4] доказано, что в щелочно-галлоидных кристаллах (NaCl и KCl) электрический пробой обусловлен именно ударной ионизацией электронами. Однако авторы отмечают, что на механизм пробоя существенное влияние оказывают дефекты и неоднородности кристаллической структуры. Электронные токи, сопровождаемые ударной ионизацией, протекают в локальных участках слоя диэлектрика, где под действием электрического поля произошла генерация линейных и точечных дефектов.

Н. П. Богородицкий выделяет в качестве отдельного вида электрический пробой неоднородных диэлектриков и отмечает, что пробивные напряжения для них, как правило, невысоки [1, с. 67–69]. Пробивное напряжение неоднородного диэлектрика существенно зависит от его толщины и площади электродов. Чем больше толщина диэлектрика и площадь электродов, тем больше пор и микротрещин, заполненных газом, попадают в пределы электрического поля, что приводит к существенному снижению электрической прочности материала.

2. Тепловой пробой твердых диэлектриков.

Тепловой пробой возникает вследствие нарушения теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи в диэлектрике. В результате диэлектрических потерь материал диэлектрика нагревается и происходит процесс тепловыделения, который выражается уравнением диэлектрических потерь:

, (3)

где — приложенное к диэлектрику напряжение, — частота изменения напряжения, — электрическая емкость диэлектрика, — тангенс угла диэлектрических потерь.

Образующееся тепло выделяется в окружающую среду, благодаря процессам теплопроводности токопроводящих частей установки и конвекции воздуха — происходит теплоотдача. Процесс теплопередачи выражается с помощью формулы Ньютона:

, (4)

где — коэффициент теплоотдачи, — площадь поверхности диэлектрика, — температура поверхности диэлектрика, — температура окружающей среды.

Условие теплового равновесия имеет вид:

. (5)

В случае нарушения равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи (тепловыделение превышает теплоотдачу) диэлектрик разогревается, что приводит к тепловому разрушению материала и потере электрической прочности.

Первые работы по исследованию механизмов теплового пробоя принадлежат Вагнеру, Гюнтершульцу и Штейнметцу и относятся к началу XX века [3, с. 92]. Основные теории теплового пробоя твердого диэлектрика представлены на рис. 3.

Рис. 3. Основные теории теплового пробоя

Еще в первой теории теплового пробоя, предложенной Вальтером, отмечалось, что вероятность пробоя существенно повышается в диэлектрике с неоднородной структурой. В той части диэлектрика, где наблюдается структурная неоднородность (пора или микротрещина, заполненная маслом или водой) возникают наибольшие релаксационные потери и наибольшая плотность тока, поэтому выделяется наибольшее количество теплоты [6, с. 132]. Несмотря на все выявленные недостатки, теория Вагнера дает наглядное представление о процессах, происходящих при тепловом пробое [3, с. 94].

3. Электрохимический пробой твердых диэлектриков.

Электрохимический пробой возникает в результате электрического старения диэлектрика под воздействием окружающей среды и электрического поля. Воздействие внешних факторов приводит к протеканию в диэлектрике необратимых химических процессов, в результате физико-химические характеристики материала ухудшаются и его электрическая прочность снижается.

Различают естественное и электрическое старение твердых диэлектриков. Естественное старение происходит не только при использовании диэлектрического материала, но и при его хранении и обусловлено воздействием воздуха, солнечных лучей и других факторов окружающей среды. Электрическое старение происходит под действием приложенного напряжения преимущественно в порах, заполненных воздухом или влагой [6, с. 136].

Скорость электрического старения и механизмы химических процессов зависят от внешних условий и материала диэлектрика. Экспериментально доказано, что основной причиной старения органической изоляции, к которой можно отнести бумажную составляющую электроизоляционной системы энергетического оборудования, в сильном электрическом поле являются частичные разряды, протекающие в газовых порах [3, с. 188]. Процессы, приводящие к электрическому старению диэлектрика, достаточно разнообразны [3, с. 189] и представлены на рис 4.

Рис. 4. Основные механизмы электрохимических процессов

В твердых диэлектриках, в том числе в бумажно-масляной изоляции, имеются различные дефекты — трещины, поры и другие инородные включения. Включения, заполненные жидким или газообразным диэлектриком (маслом или воздухом), имеют более низкую электрическую прочность [5]. Поэтому при приложении напряжения большего, чем , во включениях начинают протекать частичные разряды, при этом ионы и электроны бомбардируют стенки газовых пор, что приводит к электрической эрозии и разрушению стенок [2, с. 41–49; 6, с. 136]. В результате объем пор увеличивается преимущественно вдоль силовых линий поля с образованием дендритов, эффективная толщина изоляции уменьшается и пробой наступает при более низкой напряженности электрического поля.

Вывод. Неоднородности в структуре твердого диэлектрика оказывают существенное влияние на механизмы пробоя, значительно искажая внешнее электрическое поле. Локальное увеличение напряженности электрического поля во включениях, а также электрическое старение и эрозия уменьшают эффективную толщину и электрическую прочность диэлектрика. Поэтому, рассчитывая предельные значения прикладываемого напряжения, необходимо учитывать возможность наличия дефектов и их влияние на электрические свойства материала.

На сегодняшний день в физике диэлектриков наиболее изученным является механизм теплового пробоя, для которого академиком В. А. Фоком разработана строгая теория, согласующаяся с экспериментом. Механизмы электрического пробоя не имеют столь однозначной теории и рассматриваются с точки зрения двух различных подходов. Первый подход в качестве основного механизма электрического пробоя выделяет ударную ионизацию электронами и представлен работами Г. А. Воробьева, А. Хиппеля, Г. Фрелиха, В. Франца. Второй подход рассматривает электрический пробой как результат перегревной тепловой неустойчивости и процессов электронной детонации под действием сильного электрического поля и разрабатывается научной школой Ю. Н. Вершинина. Теория электрохимического пробоя основывается на механизмах электрического старения диэлектрических материалов, которые достаточно хорошо изучены.

Литература:

1. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.

2. Вдовико В. П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования / В. П. Вдовико. — Новосибирск: Наука, 2007. — 155 с.

3. Воробьев Г. А. Физика диэлектриков (область сильных полей) / Г. А. Воробьев, Ю. П. Похолков, Ю. Д. Королев, В. И. Меркулов. — Томск: Издательство ТПУ, 2003. — 243 с.

4. Воробьев Г. А. Электрический пробой твердых диэлектриков / Г. А. Воробьев, С. Г. Еханин, Н. С. Несмелов. — Физика твердого тела. — № 6. — 2005. — С. 1048–1052.

5. Кислякова Е. В. Электрическое поле в неоднородных диэлектриках / Е. В. Кислякова. — Молодой ученый. — № 12. — 2012 г. — С. 6–10.

6. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. — М.: Высшая школа, 2004. — 519 с.

7. Халилов Ф. Х. Техника высоких напряжений и электротехнические материалы в устройствах железнодорожного транспорта / Ф. Х. Халилов, В. В. Егоров, А. А. Смирнов. — СПб., 2007. — 544 с.