Пробой диэлектриков. Элементарные процессы при разряде в газе. Электрическая прочность электроизоляционных материалов. Основные виды пробоя, страница 9

Туннельный эффект может способствовать освобождению электрона из связанного состояния. Этими процессами определяется подвижность отрицательных зарядов (эмитированных электронов) К_-, которая обычно на два порядка выше, чем подвижность положительных ионов.

При напряженностях 10³ кВ/см возможна автоионизация жидкости, которая заключается в перемещении электронов в объеме жидкости за счет туннельного эффекта в сильном электрическом поле. Это приводит к возникновению электронной проводимости жидкости, при которой движение электрона наиболее вероятно также по перескоковому механизму.

В большинстве жидкостей до напряженностей порядка 10³ кВ/см отсутствует резкое возрастание тока, которое свидетельствовало бы об ударной ионизации.

Явления, сопровождающие протекание тока сквозь жидкий диэлектрик. При приложении напряжения к жидкому диэлектрику положительные ионы начинают двигаться к отрицательному электроду, а отрицательные - к положительному. При этом непосредственно у поверхности положительного электрода создается слой отрицательных ионов, а у поверхности отрицательного электрода - слой положительных ионов.

Это приводит к усилению напряженности электрического поля у поверхности электродов.

В сильных полях плотность тока у электродов j_эл определяется плотностью тока эмиссии (инжекции) носителей - авто - или термоэлектронной эмиссий электронов с поверхности катода и автоионизации молекул у анода, т.е. перехода валентных электронов на анод.

Если жидкость является слабым электролитом, то высота потенциального барьера W_ВЫХ при этом определяется разницей работы выхода с поверхности металла и жидкого диэлектрика, т.е. энергией  сродства  электрону  окисленных  форм (положительных ионов) для процессов у катода или энергией ионизации нейтральных молекул для процессов у анода. Возникающая при этом инжекция носителей с поверхности электродов приводит к образованию гомозаряда (объемного заряда, одноименного с полярностью электродов): отрицательного объемного заряда у катода и положительного – анода.

По степени чистоты жидкие диэлектрики можно разделить:

1) предельно чистые (рафинированные);

2) технически чистые (не содержащие эмульсионной воды и твердых загрязнений);

3) загрязненные.

Механизм пробоя I группы такой же, как и у газов, но при значительно более высоких Е. Электрическая прочность таких жидких диэлектриков сравнима с электрической прочностью твердых диэлектриков Епр≈10²МВ⁄м. Скорость развития пробоя таких диэлектриков очень высокая (τ≈1мкс). Поэтому пробой является электрическим и Епр не зависит от Р, Т , объема диэлектрика, длительности воздействия электрического поля (тонкие пленки могут использоваться до ≈10 мв/м).

ЕпрМВ /м

20

16

12

8

4

0           0.01                    0.02        0.03          0.04         0.05 %Н2О

Рис.5.7. Зависимость Епр, действ. (% воды) для трансформаторного масла

Епр МВ/м

24

1

20

16

12

2

8

4

   -40                0                 40                 80                120°С

Рис.5.8. Зависимость Епр=f(t°C) для масла:

1-высушенное масло; 2-эксплуатационое масло(со следами воды)

Во II группе присутствуют пузырьки газа и рассеянная вода. При этом возможен местный перегрев жидкости. Газ легко ионизируется, а вода, будучи сильно полярной жидкостью, способна в электрическом поле создавать цепочки с повышенной проводимостью. Это снижает Епр и создает условия для теплового пробоя (местного перегрева жидкости). При этом наблюдается зависимость от Р, Т, Н и объема диэлектрика. Зависимость Епр(Т) немонотонна. Следовательно, Епр при малых Т (-40 … -10°С) объясняется уменьшением  вязкости жидкости и переходом воды из кристаллического в жидкое состояние (ε  льда  меньше, чем у воды).  При       Т = -10…80°С вода переходит из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. После 80°С начинается кипение легких фракций масла (рис. 5.7 и 5.8).