Пробой неоднородных диэлектриков

Выше был рассмотрен механизм пробоя и влияние различных факторов на электрическую прочность воздуха для случаев, когда воздух являлся единственным диэлектриком, заполнявшим межэлектродное пространство. Между тем используемые на практике диэлектрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых диэлектриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения, в жидких диэлектриках – газовые пузырьки, коллоидные частицы и вещества, образующие эмульсии и суспензии. Широко используют слоистые диэлектрики (гетинакс, текстолит, миканиты и др.). Поэтому большое практическое значение имеет знание картины распределения вектора напряженности электрического поля в многослойных диэлектриках в зависимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств.
Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состояниях: твердый диэлектрик – воздух, реже – твердый диэлектрик – жидкий диэлектрик, жидкий диэлектрик – воздух (газ). В таких конструкциях поверхность раздела диэлектрических сред может находиться под любым углом к силовым линиям поля.
Рассмотрим два наиболее простых случая, когда поверхность раздела расположена параллельно силовым линиям поля (рис. 5.9, а) и перпендикулярно (см. рис. 5.9, б). В обоих случаях после внесения твердого диэлектрика в однородное поле, поле в межэлектродном пространстве становится неоднородным, и пробой наступает при более низком напряжении. Различным будет и механизм пробоя. В первом случае возникнет поверхностный разряд – пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика. Во втором – произойдет неполный пробой – пробой воздушного промежутка, расположенного между электродом и поверхностью твердого диэлектрика.
Графическое представление картины электрического поля, изображенное на рис. 5.9, строго говоря, справедливо лишь для локальных областей, лежащий вблизи поверхности раздела (по обе ее стороны) двух диэлектрических сред, например твердый диэлектрик – воздух. Но именно напряженность поля этих локальных областей и определяет величину U_p.

В действительности же напряженность среднего макроскопического электрического поля Е в твердом диэлектрике (вдали от его поверхности) существенно отличается (см. формулу (2.8)) от напряженности внешнего электрического поля (в данном случае от напряженности поля в воздухе). На величину Е внутри твердого диэлектрика значительно влияют его диэлектрическая проницаемость ε и форму (см. формулы (2.12), (2.14), (2.15)). В частном случае можно считать, что Е внутри твердого диэлектрика будет в ε раз меньше, чем Е в воздухе (также вдали от границы раздела).

Вектор напряженности электрического поля Е в каждой точке межэлектродного пространства можно условно разложить по отношению к границе раздела двух диэлектрических сред на нормальную составляющую Е_п и тангенциальную составляющую Е_t. Вектор Е_п направлен перпендикулярно поверхности раздела, а вектор Е_t – касательно. Соответственно характеристики для одной диэлектрической среды будут ε₁, γ₁, θ₁, h₁, U₁ и для другой - ε₂, γ₂, θ₂, h₂, U₂

Поверхностный разряд в однородном электрическом поле

Если вектор Е направлен параллельно поверхности раздела двух диэлектрических сред (см. рис. 5.9, а), то в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела возникнут только тангенциальные составляющие в среде с ε₁ – Е_1t и в среде с ε₂ – Е_2t. Нормальные составляющие E_1n и E_2n будут равны нулю. В этом случае имеет место равенство

Так как в рассматриваемом примере Е_1t = E_1, a E_2t = E₂, то уравнение (5.6) можно записать в следующем виде:

Однако это равенство на практике из-за ряда причин никогда не наблюдается, и напряженность поля Е₂ в воздухе вблизи границы раздела с твердым и жидким диэлектриком всегда больше, чем Е₁:

В данном случае разрядное напряжение U_p зависит от значений ε, γ_s и θ твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и расположения ее относительно силовых линий поля, формы и частоты приложенного напряжения, относительной влажности воздуха ψ_в, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и расстояния между ними.
Как отмечалось выше (см. 3.4.4), на поверхности твердого диэлектрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более (рис. 5.10). Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением сплошноты и толщины пленки количество ионов возрастает.
Чем больше ε и γ_s твердого диэлектрика, меньше краевой угол смачивания θ, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной примесью, выше относительная влажность воздуха ψ_в (при ψ_в > 50%) и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следовательно, больше в ней ионов. У стекол, кроме того, часть ионов щелочных металлов, являющихся структурными элементами стекла, переходит в адсорбированную влагу, увеличивая концентрацию заряженных частиц (см. гл. 3.4.1). Ионы под действием электрического поля смещаются к электродам. Часть из них разряжается на электродах, а часть, не преодолев потенциальный барьер на границу диэлектрик – металл, образуют объемные заряды. В результате неоднородности поля в межэлектродном пространстве возрастает и U_р снижается.
Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги является решающим фактором в нарушении однородности электрического поля, в результате чего разрядное напряжение U_р снижается.

В переменном поле с каждым полупериодом напряжения ионы, не успевшие разрядиться на электродах, накапливаются в приэлектродных областях. В результате образуются объемные положительный и отрицательный заряды, которые с каждым полупериодом увеличиваются. Однако рост объемных зарядов прекращается, когда устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов, поступающих в объемные заряды и уходящих из них. Рост объемных зарядов возобновится, если увеличить приложенное напряжение. В полупериод, когда полярность электродов изменится и станет такой же, как и знак соответствующих объемных зарядов, потенциал на электродах возрастет и станет выше, чем в середине межэлектродного пространства (рис. 5.11). В результате поверхностный разряд произойдет при более низком напряжении.
На снижение U_р оказывают влияние и другие факторы. Известно (см. гл. 3.2), что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрицательные ионы и электроны. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой зарядов одного знака, а над ним, в воздухе – слой зарядов противоположного знака. Под действием приложенного напряжения эти заряды вместе с ионами воды смещаются к противоположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных зарядов.
На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияют не только удельная поверхностная электропроводность и краевой угол смачивания, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (f ≥ 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэтому электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, U_p снижается незначительно.

У твердых высокогигроскопичных диэлектриков (неорганические стекла и материалы молекулярного строения с высокими значениями ε и γ_s и небольшим краевым углом смачивания (см. табл. 3.2) при относительной влажности воздуха ψ_в > 50% на поверхности всегда образуется сплошная пленка адсорбированной из воздуха влаги протяженностью от электрода до электрода. В результате поверхностная электропроводность возрастает и U_p снижается.
На поверхности малогигроскопичных твердых диэлектриков, т.е. диэлектриков (низкие значения ε и γ_s и большой краевой угол смачивания), а также малопористых, с гладкой и чистой поверхностью, образуется прерывистая пленка влаги в форме сфероидов. Поэтому удельное поверхностное сопротивление ρ_s таких диэлектриков имеет высокое значение и мало зависит от влажности воздуха. Поскольку сфероиды воды включены последовательно с твердым диэлектриком, а величина ε воды (ε ≈ 81) существенно отличается от ε твердых диэлектриков (ε ≈ 2-10), то неоднородность поля усиливается. В результате происходит локальное повышение напряженности поля и возникают ионизационные процессы. Разрядное напряжение U_p при этом снижается, но не так сильно, как у высокогигроскопичных диэлектриков.
Таким образом, самое высокое U_p наблюдается при разряде вдоль поверхности твердых диэлектриков молекулярного строения неполярных (рис. 5.12). У диэлектриков полярных U_p ниже, чем у неполярных, и тем ниже, чем больше ε и γ_s твердого диэлектрика (см. рис. 5.12), и меньше его краевой угол смачивания (см. табл. 3.2). У диэлектриков ионного строения, которые содержат ионы щелочных металлов и поэтому имеют более высокую удельную поверхностную электропроводность, U_p еще ниже, чем у диэлектриков молекулярного строения полярных. Особенно значительно U_p снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика. В этом случае (см. с. 124) электрическое поле в межэлектродном пространстве становится еще более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.
Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения U_p.
Из вышеизложенного вытекают три практических вывода.
Первый – радикальным и почти единственным методом повышения U_p изоляторов в реальных условиях, когда присутствие влаги в воздухе неизбежно, является удлинение пути смещения ионов по поверхности (удлинение пути тока утечки) путем устройства ребер и юбок.
Второй – использование материалов с минимальной гигроскопичностью, т.е. материалов с минимальной диэлектрической проницаемостью и удельной поверхностной электропроводностью и максимальным краевым углом смачивания (например, политетрафторэтилен, кремнийорганическая резина)
Третий – недопустимость неплотного прилегания электродов к диэлектрику в электроизоляционных конструкциях, так как это ведет к существенному падению U_p (см. уравнения (5.14) и (5.15)). Эти дефекты устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких токопроводящих прокладок или металлизацией поверхности диэлектрика, соприкасающейся с электродом.
Поверхностный разряд в резконеоднородном электрическом поле.

Рассмотренный выше поверхностный разряд в однородном поле встречается редко. Однако его исследование дало возможность сделать несколько ценных общих выводов о физических закономерностях поверхностного разряда и влиянии ряда факторов на механизм этого процесса.
Используемые на практике электроизоляционные конструкции с типичным расположением электродов, показанным на рис. 5.13, образуют неоднородные поля и представляют собой соответственно опорный (а) и проходной (б) изоляторы. Одним из основных требований, предъявляемых к этим конструкциям, - недопустимость возникновения поверхностного разряда. Различие этих конструкций друг от друга заключается прежде всего в расположении поверхности раздела между твердым диэлектриком и воздухом относительно силовых линий поля. В опорном изоляторе (см. рис. 5.13, а) во всех точках поверхности твердого диэлектрика тангенциальная составляющая Е_t значительно преобладает над нормальной составляющей Е_n­. В случае проходного изолятора (см. рис. 5.13, б), наоборот, Е_n у поверхности твердого диэлектрика больше Е_t. Поэтому, как считает немецкий ученый М. Теплер, ионы под действием Е_n «прижимаются» к поверхности твердого диэлектрика и движутся вдоль нее с трением, вызывая местный нагрев поверхности, создавая тем самым дополнительную ионизацию воздуха, которая и облегчает разряд. Кроме того, канал разряда, развивающегося по поверхности, имеет значительно большую емкость относительно другого (короткого) электрода и больший ток, чем у опорного изолятора, что существенно влияет на разрядное напряжение. В конструкциях изоляторов, представленных на рис. 5.13, поле неоднородное. Особенно оно резконеоднородное в случае проходного изолятора, поэтому у него U_p при прочих равных условиях ниже, чем у опорного изолятора.
В неоднородном поле процессы, вызванные пленкой влаги, адсорбированной на поверхности твердого диэлектрика, не могут существенно увеличить уже имеющуюся неоднородность электрического поля. Разрядное напряжение U_p в неоднородном поле как с твердым диэлектриком в воздушном промежутке между электродами, так и без него значительно ниже, чем в однородном поле, и тем ниже, чем больше неоднородность электрического поля.
В случае резконеоднородного электрического поля (см. рис. 5.13, б) выделяются следующие фазы развития поверхностного разряда: вначале на коротком электроде (обычно он имеет вид фланца) возникает свечение в виде короны. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя прорываются неустойчивые искровые разряды в виде стримеров, длина которых быстро растет с увеличением напряжения. Затем появляются отдельные скользящие разряды, представляющие собой неполный поверхностный пробой. Завершается процесс полным поверхностным перекрытием.

Напряжение перекрытия U_p тем ниже, чем больше ток в канале разряда, т.е. выше проводимость этого канала. Величина тока, в свою очередь, определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость канала разряда и, следовательно, больше в нем ток, тем ниже разрядное напряжение и длиннее скользящие разряды. В качестве величины, характеризующей емкость канала разряда, обычно используют удельную поверхностную емкость С_n диэлектрика, по поверхности которого произошел поверхностный разряд.
Напряжение начала скользящих зарядов U_ск и напряжение полного перекрытия U_p можно определить с помощью эмпирических формул, позволяющих приближенно оценить величину указанных напряжений.
Напряжение кВ_эф полного поверхностного разряда в переменном поле (50 Гц) при сравнительно малом значение нормальной составляющей напряженности электрического поля Е_n (опорный фарфоровый изолятор стандартной формы) можно определить по формулам: где l – длина разрядного промежутка, см.
По М. Теплеру, при переменном напряжении (50 Гц) и наличии нормальной составляющей напряженности электрического поля Е_n скользящие заряды по поверхности плоского диэлектрика или полого цилиндра большого диаметра образуются при напряжении, кВ_эф: где С_п – удельная поверхностная емкость, Ф/см².
В зависимости от конфигурации твердого диэлектрика С_п рассчитывают по следующим формулам: где ε – диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика; h – толщина диэлектрика, см; где d и D – внутренний и наружный диаметры полого цилиндрического изолятора, см; С – общая емкость образца (С = 2пε₀εl/ ln(D/d)), Ф; S = площадь боковой поверхности, по которой распространяется разряд (S = пDl), см².
Загрязнение сухой поверхности изолятора мало влияет на его удельную поверхностную электропроводность и поэтому не оказывает существенного влияния на U_p. При мокрой поверхности изолятора (под дождем) разрядное напряжение при 50 Гц примерно вдвойне ниже, чем при сухой. В еще большей степени U_p снижается при увлажнении поверхности изолятора, загрязненной ионогенной примесью. Увлажнение слоя загрязнения, например росой или дождем, приводит к резкому увеличению удельной поверхностной электропроводности в результате образования слабого раствора электролита из воды и ионогенной примеси. Механизм развития разряда при этом качественно меняется, а величина U_p значительно снижается. В зависимости от характера и интенсивности загрязнений мокроразрядные напряжения могут составлять 50-25 % от сухоразрядных.
Скользящие искровые разряды и особенно дуговой разряд, имея высокую температуру канала (несколько тысяч градусов), обжигают поверхность диэлектрика, оставляя на ней, после снятия напряжения, след – трек. Особенно опасен такой разряд для органических диэлектриков. Трек имеет более высокую проводимость и поэтому вызывает резкое снижение U_p при повторной подаче напряжения даже в случае сухой поверхности твердого диэлектрика. Поэтому при выборе материала для изготовления изоляторов нужно учитывать его трекингостойкость, т.е. стойкость к действию скользящих разрядов.
Коронный разряд также повреждает поверхность твердого диэлектрика при длительном воздействии (окисление, разрушение). При этом могут коррозировать и металлические части (электроды) электроизоляционных конструкций.

Пробой двухслойного диэлектрика

Если вектор Е направлен перпендикулярно поверхности раздела двух диэлектрических сред с ε₁, γ₁, и ε₂, γ₂ (см. рис. 5.9, б), имеющих малые диэлектрические потери, то для переменного напряжения распределение напряженности поля между этими диэлектрическими средами будет обусловлено значениями их ε₁ и ε₂. В этом случае в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела образуются лишь нормальные составляющие: в среде с ε₁ – Е_1n и в среде с ε₂ – Е_2n. Тангенциальные составляющие E_1t и E_2t будут равны нулю. При этом имеет место равенство
Так как в данном случае нормальные составляющие Е_1n и Е_2n совпадают соответственно с векторами Е₁ и Е₂ по направлению и равны им по величине, то уравнение (5.12) можно записать в следующем виде:
Из уравнений (5.13) следует, что чем больше диэлектрическая проницаемость ε твердого диэлектрика, тем выше напряженность Е₂ поля в воздушной среде.
Поскольку U = U₁ + U₂ = U₁ [1 + (ε₁h₂ / ε₂h₁)], а h = h₁ + h₂, то, используя формулу (5.13), получим величину напряженности электрического поля Е₂ (В/м), для среды с ε₂ (воздух) и Е₁ для среды с ε₁ (твердый диэлектрик):
где U – приложенное напряжение, В; ε₁ и ε₂ – диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика и воздуха соответственно; h₁ и h₂ – толщина твердого диэлектрика и прослойки воздуха соответственно, м.
При постоянном напряжении по истечении времени, достаточного для завершения поляризации, напряженность поля в каждой среде будет равна:
где γ₁ и γ₂ – удельная электропроводность твердого диэлектрика и воздуха соответственно, См/м.
Уравнения (5.14) и (5.15) взаимосвязаны, так как между значениями ε и γ (или ρ) имеется определенная зависимость (см. рис. 3.10).

В случае когда имеем бесконечно тонкую воздушную прослойку между электродом и твердым диэлектриком, т.е. когда h₂ << h₁, a h₁ ≈ h, уравнение (5.14) упрощается, и Е₂ становится равным
На практике наличие воздушной прослойки между поверхностью твердого диэлектрика и электродом оказывает большое влияние на U_ном и нормальный режим работы диэлектрической конструкции.

В качестве примера рассмотрим случай, когда между двумя плоскопараллельными электродами с закругленными краями находится двухслойный диэлектрик – фарфоровый цилиндр и воздушная прослойка, при этом поверхность раздела расположена перпендикулярно силовым линиям поля (см. рис. 5.9, б). Зададим следующие значения: напряжение, приложенное к электродам, U = 40 кВ; расстояние между электродами h = 2 см; фарфор имеет ε₁ = 6 и воздух ε₂ = 1. Найдем величину напряженности электрического поля Е₂ воздушной прослойки для случаев, когда:
1) Высота фарфорового цилиндра h₁ = 1.5 см и соответственно толщина воздушной прослойки h₂ = 0.5 см;
2) Толщина воздушной прослойки бесконечно мала h₂ ≈ 0 и, следовательно, h₁ ≈ h.
Для первого случая в соответствии с (5.14) имеет Е₂, кВ/см:
для второго случая, согласно (5.16) Е₂, кВ/см, составляет
Напряженность однородного электрического поля Е₂, кВ/см, в межэлектродном пространстве в отсутствие фарфорового цилиндра равна
Из приведенного примера видно, что в последнем случае, когда фарфоровый цилиндр отсутствует в межэлектродном пространстве, электрических разрядов нет, и, следовательно, электроизоляционная конструкция работает в нормальном режиме. Объясняется это тем, что Е₂ = 20 кВ/см, т.е. меньше электрической прочности Е_пр воздуха (Е_пр воздуха равна 32 кВ/см). В первом и особенно во втором случаях поле в межэлектродном пространстве становится резконеоднородным. В воздушных прослойках напряженность поля Е₂ становится существенно выше, чем Е_пр воздуха, поэтому возникают электрические разряды и, следовательно, нарушается нормальный режим работы электроизоляционной конструкции. Образующиеся при электрических разрядах озон и окислы азота оказывают разрушающее действие на диэлектрик, особенно органический, а при длительном воздействии – на электроды и другие металлические детали, вызывая их коррозию.

Следует отметить, что воздушные прослойки (включения) очень опасны в высоковольтной изоляции конденсаторов, кабелей и других электротехнических конструкциях. В результате перераспределения электрического поля между твердым диэлектриком и воздушными включениями (порами) напряженность на включениях повысится и в них при сравнительно невысоком напряжении возникнут частичные электрические разряды, которые вызовут ускоренное старение изоляции и тем самым снизят качество и надежность работы, а также срок службы электротехнической конструкции (см. 5.4.3). Поэтому число воздушных включений и особенно их размер должны быть сведены к минимуму.

Если силовые линии Е расположены не параллельно и не перпендикулярно поверхности раздела, а пересекают ее под любым углом (рис. 5.14), то отмеченные выше закономерности для Е_n и Е_t сохраняются, и векторы напряженности электрического поля на границе раздела двух диэлектрических сред с ε₁ и ε₂ можно описать следующим уравнением