Диэлектрическое и резистивное состояние.

Введение

Основные вопросы, которые будут рассмотрены в пособии, – это вопросы электропроводности и пробоя жидких диэлектриков, в частности: происхождение носителей заряда, особенности их движения, экспериментальные закономерности пробоя в зависимости от наличия примесей, давления, температуры, длительности импульса, влажности и т.п., а также модели зажигания разряда.

В отличие от газов пробой жидкостей сопровождается другими физическими явлениями, например образованием парогазовой фазы. Это, по крайней мере, частично, сводит пробой жидкостей к пробою газов. Однако, жидкости способны выдерживать без пробоя значительно большие напряженности. Если для газа электрическая прочность составляет порядка 30 , то для жидкости 300 и более. Почему и как это происходит – будет выясняться в настоящем пособии.

Два основных применения пробоя и его исследований.

1. В электроэнергетике: без пробоя выдерживать все большие и большие напряжения.

2. В электротехнологиях: пробивать так, чтобы меньше энергии тратить на сам пробой, а больше энергии переводить в другие виды, полезные для технологических целей, например в ударную волну.

Для того, чтобы управлять пробоем, как в плане увеличения электрической прочности, так и в плане управления энерговыделением, нужно хорошо понимать процессы, которые происходят в жидкости под действием высокого напряжения.

Это и является целью настоящего курса.

 

Жидкие диэлектрики.

1.1 Диэлектрическое и резистивное состояние.

1.2 Отличие жидкого состояния от газообразного и твердого с точки зрения инженера-электрика.

1.3 Основные характеристики

1.4 Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

Основные характеристики

С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей, как диэлектриков являются три параметра: диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. В качестве примера – у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет чисто электронный характер и, вследствие этого, диэлектрическая проницаемость мала ε < 2. Трансформаторное масло, являясь смесью веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому ε возрастает до ~ 2,2 – 2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, следовательно, больше ε ~ 4,5. Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями полярных веществ, ε составляет 24, 40, 81 соответственно. Итак,

1.Трансформаторное масло (в зависимости от сорта масла) ε=2,2 –2,4

2. Касторовое масло ε=3,5–4,5

3.Этиловый спирт ε=24

4. Глицерин ε=40

5. Вода ε =81

Удельное электрическое сопротивление. Это характеристика жидкости и технологии ее приготовления и очистки. Основной механизм появления проводимости – наличие ионизирующихся примесей. Теоретически, если удалить все примеси, то мы должны получить проводимость (и удельное сопротивление) являющуюся свойством жидкости, присущим только этой жидкости. Это действительно достигается в случае полярных, самодиссоциирующихся жидкостей, например, воды. Для воды теоретический расчет электропроводности и практические результаты после вакуумной перегонки совпадают. Однако для большинства жидкостей это недостижимо. И приводимые в таблицах значения удельного сопротивления характеризуют в большей степени способы очистки, чем свойства материала. Основная примесь, дающая проводимость в жидкостях – это вода, основные способы улучшения удельного электрического сопротивления основаны на удалении воды. Кроме того, в жидкостях возникают т.н. двойные электрические слои.

Двойной электрический слой – образование в жидкости, на границе с другими телами (электроды, диэлектрики, несмешивающиеся жидкости), заряженных слоев с повышенной электропроводностью, причем поверхность раздела, и объем жидкости приобретают заряды разного знака. Образование двойных слоев актуально для технических жидких диэлектриков, например для транспорта по трубам горючих диэлектрических сред типа нефти, конденсата и т.д. Устранение двойных слоев может быть осуществлено только при тщательной очистке диэлектрических жидкостей от ионизирующихся примесей.

Очистка диэлектрических жидкостей, как уже говорилось, может осуществляться дистилляцией, в.т.ч. под вакуумом, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшается электропроводность, диэлектрические потери, возрастает электрическая прочность. Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков, как мы знаем, является вода, а основными примесями, уменьшающими электрическую прочность являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Поэтому в практике энергосистем для регенерации трансформаторного масла его фильтруют, обезгаживают вакуумированием, осушают с помощью пропускания через объем, заполненный адсорбентами (цеолитами, либо силикагелем).

Цеолиты – твердые вещества естественного или искусственного происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в этих порах. Силикагель – пористый адсорбент для поглощения влаги и полярных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с цеолитами.

Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до 6 порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки – электродиализа.

Электродиализ – способ удаления ионов из промежутка за счет пропускания постоянного тока при использовании ионообменных мембран, катионообменной (носители заряда – катионы) у катода и анионообменной (носители заряда – анионы) у анода. За счет различных способов очистки жидкостей в исследованиях удавалось получить электропроводность не выше электропроводности лучших твердых диэлектриков, а именно до См/м.

Электрическая прочность – также, как и электропроводность, в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Есть несколько наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической прочности: дегазация жидкости, пропускание через адсорбент, пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

Двадцать-тридцать лет назад велись споры, является ли электрическая прочность “истинной” характеристикой жидкости. Этот вопрос достаточно принципиален. Дело в том, что если измеренная электрическая прочность является истинной характеристикой, то практически бессмысленны попытки ее увеличения. Если электрическую прочность считать технологической характеристикой, следствием протекания определенных предпробивных процессов, то резонно, что воздействием на эти процессы можно управлять электрической прочностью.

Для примера рассмотрим эксперименты по пробою на постоянном напряжении замечательной диэлектрической жидкости – перфтортриэтиламина (С₂F₅)₃N. Первые измерения (без специальной очистки жидкости и электродов) дали значения электрической прочности Е_пр = 60–70 кВ/см, причем с ростом числа пробоев электрическая прочность слабо возрастала до 70–80 кВ/см. Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то можно получить 200–300 кВ/cм. После дополнительного проведения тренировочной серии в 20–30 маломощных разрядов электрическая прочность достигала 550–600 кВ/см.

Основные зависимости

Рис. 2.5. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальных условиях от температуры.

 

Температурная зависимость. Температурная зависимость обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа P V = R T или n = P / k T. Для атмосферных условий влияние изменения давления и температуры можно учесть E = E ₀ d, где d – относительная плотность d = 0,386 Р / (t + 273) (рис.2.5.).

Зависимость от давления. В условиях лавинного пробоя при p d< 100 зависимость U (p) полностью эквивалентна кривой Пашена при d = const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид кривой с насыщением.

 

Рис. 2.6. Электрическая прочность воздушного промежутка 1 мм при высоких давлениях.

Зависимость от межэлектродного зазора. Для лавинного пробоя – аналогична кривой Пашена при р = const. При повышенных давлениях и малых зазорах E = 30 + A / d где А – постоянная. Экспериментальные данные по пробою микронных зазоров показывают, что пробивная напряженность доходит до 200 кВ/см.

 

Зависимость от площади электродов. Эта зависимость – чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е₀ S^-1/10. Обычно эту зависимость объясняют наличием «слабых мест» на поверхности в виде неоднородностей, пленок и т.п., возрастание числа которых с ростом площади приводит к уменьшению электрической прочности.

Зависимость от влажности. Она проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого изолятора и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

 

Появление носителей заряда.

В не очень сильных полях носители заряда появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов (эмиссия). При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. В (3.1) наиболее значительную роль играет n_i. Оценку n_i можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется выражением

~ n × n × e^-W/kT (3.2)

где n – плотность молекул, n – частота колебаний электрона в молекуле (~10¹⁴1/сек), W – энергия ионизации, k – постоянная Больцмана, Т – температура. При комнатной температуре kT ~ 1/40 эВ. Механизмы исчезновения зарядов: рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением.

= K_r n_i ² (3.3)

где K _r коэффициент рекомбинации. Для объемной рекомендации в жидкости коэффициент рекомбинации составляет по порядку величины 10^-9 см³ / (сек × ион). Из (3.2) и (3.3) можно получить выражение для определения n _i. В равновесии количество носителей не меняется со временем, приравнивая (3.2) и (3.3) получим.

n_i = (n × n / K _r)^1/2 × e^-W/2kT (3.4)

Подчеркнем, что концентрация ионов пропорциональна квадратному корню из концентрации диссоциирующей примеси! Т.е. между ними нет прямой пропорциональности!

Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, которые образуются либо вследствие диссоциации (развала) молекул на два (преимущественно) иона (рис.3.1.), либо ионизации (отрыва электрона). После отрыва электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости, т.к. не могут существовать в свободном состоянии. В результате все равно получаются ионы! Как ионизация, так и диссоциация, облегчены по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия отрыва) понижена в e раз. Это можно показать, рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов, катиона и аниона,(+e и e), разошедшихся на расстояние r.

W = e² / (4p e₀ e × r ) (3.5) Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды легко окружаются (сольватируются) соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам.. Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора: молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na⁺ и Cl^-. В жидкости молекула NaCl

 

 

 

Рис.3.1. Диссоциация молекулы (при расхождении ионов), рекомбинация ионов (при сближении и слиянии в молекулу).

 

может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо слабосвязанных ионных пар (Na⁺Cl), либо в виде комплексов ионных пар. Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например, вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости.

Оценка по выражению (3.4) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В (в газе), растворенной в жидкости с e = 2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (коэффициент рекомбинации K _r ~ 10^-15 м³ / cек) дает концентрацию носителей заряда более 10¹⁰ 1/cм³, что приводит к проводимости жидкости s ³ 10^-12 Ом^-1 см^-1.

Иллюстрацией влияния диэлектрической проницаемости могут служить результаты наших экспериментов с проводимостью композитов «порошок диэлектрика (сегнетокерамика) с различными диэлектрическими жидкостями. При этом, в зависимости от диэлектрической проницаемости жидкости в диапазоне от 2 до 15, электропроводность композитов менялась на шесть-девять порядков величины (рис.3.2.).

 

Рис. 3.2. Удельное сопротивление композиции, приготовленной с использованием жидкостей с различной диэлектрической проницаемостью.

 

Диссоциационно-рекомбинационные процессы. Теория Онзагера. Из молекулярно-кинетической картины процесса расхождения двух ионов радиусов R₁ и R₂ (R₁₂ = R₁ + R₂), имеющих коэффициенты диффузии D₁ и D₂ можно считать, что диссоциация произойдет тогда, когда они разойдутся на расстояние L _b, на котором энергия их взаимодействия становится меньше тепловой энергии. Из этих соображений коэффициент диссоциации

где

Из этих же соображений можно определить константу рекомбинации

Молекулярно-кинетическая теория позволяет рассчитать и влияние электрического поля на константы равновесия, а следовательно и на электропроводность. Константа рекомбинации не зависит от поля, тогда как константа диссоциации имеет сильную зависимость

где

 

а функция F(p) выражается через функцию Бесселя первого порядка

 

Эта зависимость очень сильная, при больших p близка к экспоненциальной зависимости, т.е при воздействии сильных электрических полей электропроводность пропорциональна e^ÖE.

 

Движение носителей заряда.

Что касается подвижности, то в сильных электрических полях она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы “вморожены” в жидкость и переносятся “микроструйками” жидкости.

Возникновение ЭГД-течений непосредственно связано с появлением объемных зарядов в жидкости. Теоретические оценки и экспериментальные данные показывают, что при наличии объемного заряда ЭГД-течения в неполярных жидкостях возникают при напряжении в несколько сот вольт, а в полярных - при напряжении в несколько десятков вольт. Наличие течений в жидких диэлектриках эффективно проявляется в определенном диапазоне сопротивлений 10¹⁴ Ом×см – 10⁸ Ом×см. При высоких проводимостях объемный заряд практически не возникает ввиду малости времени диэлектрической релаксации заряда. Малые проводимости, без инжекции, не обеспечивают достаточного для возникновения течения количества заряда.

ЭГД–течения в жидкостях значительно увеличивают подвижность носителей заряда и вносят свой вклад в нелинейность вольт–амперной характеристики. В сильных полях движение жидкости переходит из ламинарного режима в турбулентный режим. ЭГД–подвижность примерно в 10 раз превосходит подвижность ионов в слабых полях и практически не зависит от сорта ионов. m _эгд ~ (3×10^-7 ¸ 10^-8) м² / (В×c),

m _эгд» (e₀ e ¤ r)^1/2 ¤ 3 (3.6)

Электрогидродинамика может играть различную роль в пробое жидкости. Помимо того, что течения являются индикатором наличия объемного заряда, они вызывают дополнительные локальные усиления поля. Имеются сведения об уменьшении Е_b в области скоростей движения жидкостей >10 см/сек.

Наши эксперименты (рис. 3.3., рис. 3.4.) по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся практически с одинаковой скоростью. Это означало, что они передвигаются вместе с жидкостью. При этом течения зарождались на фронте импульса, т.е. при временах воздействия порядка 1 мкс. Отсюда был сделан вывод о том, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды.

Регистрация движения носителей заряда осуществлялась с помощью сверхскоростного фоторегистратора СФР в режиме щелевой развертки. Движение носителей заряда, появившихся у электрода за счет эмиссии носителей приводило к перераспределению напряженности поля. Последнее регистрировалось с помощью эффекта Керра. Грубо говоря, линии равной разности фаз (линии керрограммы) можно приблизительно считать линиями равной напряженности. Положение линий определяется напряжением и внедренным объемным зарядом. Поскольку ни то, ни другое не может меняться скачком, эти линии достаточно плавны и начинаются и заканчиваются на электроде. Фронт движения носителей заряда ясно регистрируется в виде изгиба линий керрограммы. Движение пузырьков регистрируется в виде темных линий, которые могут появиться, исчезнуть по мере зарождения или исчезновения пузырьков, а также по мере попадания или ухода из области, регистрируемой щелью. По наклону линий определяется скорость пузырьков, по движению фронта скорость носителей заряда. Отсюда можно заключить, что доказательством образования струек является зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с приблизительно одинаковыми скоростями. Оценки подвижности носителей заряда для наших экспериментов дают значения m_эгд ~ (5±2)×10^-7 м²/(В×c), что не противоречит электрогидродинамической природе носителей заряда.

Рис. 3.3. Эксперимент в нитробензоле, демонстрирующий инжекцию носителей заряда из электродов и возникновение ЭГД течений. Вверху – импульс напряжения, внизу– развертка картины полос у электрода.

Рис. 3.4. Покадровая картина приэлектродных полей. Можно заметить инжекцию носителей заряда, пузырьки, возникновение пробоя. Снимки получены через 1,2 мкс, 2,6 мкс, 4,5 мкс, 10 мкс после подачи импульса.

Приэлектродные явления.

Электропроводность жидкостей и давление в жидкости зависят от свойств границы раздела «электрод–жидкость». Электродные процессы играют важную роль в проводимости жидкости, в особенности в области сильных электрических полей. В любом случае, какой бы ток не протекал в промежутке, в силу непрерывности тока, такой же ток протекает через контакт. Строго говоря, закон Ома выполняется только в дифференциальной форме. Это касается не только жидкостей, но и полупроводников. (К твердым диэлектрикам это относится в меньшей степени ввиду малости числа свободных зарядов в них.) Объединяет эти, на первый взгляд, далекие по своим свойствам вещества, наличие контактных переходов "металлический электрод – среда". Процессы в контактах наиболее изучены в полупроводниках. Приведение в контакт двух полупроводников или полупроводника с металлом вызывает процессы перетекания заряда, связанные с выравниванием химических потенциалов носителей в разных средах. Выравнивание химических потенциалов носителей по разные стороны контакта приводит к формированию скачка электрического потенциала на границе. Протекание тока через контакт при этом может иметь различный характер: контакт может быть инжектирующим, когда в среду поступают носители только одного знака, омическим, когда носители обоих знаков имеют равную возможность для перехода через контакт и запорным, когда носители не переходят границу "среда-электрод". В первом случае при воздействии напряжения в приэлектродной области образуется объемный заряд знака, совпадающего со знаком электрода, т.н. гомозаряд. В случае омического контакта объемного заряда нет, а вблизи запорного контакта образуется заряд противоположного знака, т.н. гетерозаряд. Отсюда нетрудно понять, что закон Ома в интегральной форме выполняется только в случае омического контакта у обоих электродов. Во всех остальных случаях объемный заряд нарушает однородность поля, что, само по себе, приводит к нелинейности вольтамперной характеристики. Известно, что в жидкостях закон Ома выполняется при малых напряжениях U < 1 В. По–видимому, при малых напряжениях контакт всегда оказывается омическим. Отличие в контактах "металл – твердое тело" и "металл – жидкость" не только в том, что при переходе меняется среда в которой движутся носители, но и меняется тип самого носителя. Согласно тщательно выполненным работам Гренобльской группы во всех случаях электропроводности жидких диэлектриков, когда удавалось идентифицировать носители заряда – они оказывались ионами. В металлических электродах и в полупроводниках проводимость осуществляется электронами и дырками, в контактах непрерывность тока во всех случаях осуществляется путем электронных переходов. При этом материальный баланс должен соблюдаться для любого типа носителей заряда. Для неразряжающихся ионов контакт оказывается запорным, для ионизирующихся нейтралов инжектирующим, а для перезаряжающихся ионов омическим.

Двойной электрический слой.

Рассмотрим причины нарушения закона Ома. Прежде всего, следует выяснить: откуда берутся носители заряда в жидкости и куда они исчезают? В жидкости всегда существует некоторое количество ионов вследствие диссоциации молекул основного вещества и примесей. Ионы реорганизуют среду вокруг себя, образуя сольватную оболочку, препятствующую их рекомбинации. Взаимодействие ионов между собой в слабополярных жидкостях приводит к образованию слабосвязанных комплексов ионных пар, а взаимодействие с электродами приводит к образованию двойных электрических слоев (ДЭС). Возникают различные варианты создания ДЭС в зависимости от типа взаимодействия тех, либо иных ионов с поверхностью электродов. При этом скачок потенциала на границе будет определяться, главным образом, наличием т.н. потенциалоопределяющих ионов, которые химически адсорбируются на поверхности.

Рис. 3.5. Схема двойного электрического слоя.

 

Двойной электрический слой состоит из двух частей. Плотная часть, слой Гельмгольца, образована адсорбированными десольватированными ионами и полярными молекулами, непосредственно прилегающими к электроду, а также сольватированными ионами. Диффузионная часть, слой Гуи-Чепмена, простирается вглубь промежутка, примерно на расстояние x_дс = (2× D_i × t_m)^0.5, где D _i – средний коэффициент диффузии ионов, t_m – максвелловское время диэлектрической релаксации. Двойной электрический слой управляет электропроводностью жидкости за счет электрохимических реакций в области контакта. Он может порождать ионы из нейтральных молекул, либо нейтрализовать ионы, превращая их в нейтральные молекулы или атомы. Эти реакции происходят в области слоя Гельмгольца, продукты или аддукты реакции обмениваются с объемом путем диффузии. Тип реакции определяется соотношением занятых и свободных энергетических уровней электрода и каждой из реагирующих частиц. Электрод при этом играет роль одной огромной реагирующей частицы.

При воздействии электрического поля ионы начинают скапливаться у электродов соответствующего знака, изменяя контактную разность потенциалов (потенциал двойного слоя). Реагируют с электродом только те частицы, соответствующие уровни электронных состояний которых близки к уровню Ферми в металле. При увеличении напряжения межфазный потенциал растет за счет неразрядившихся ионов и в электродную реакцию дополнительно вступают новые компоненты с другими электронными уровнями. Рост количества зарядов в среде, естественно ведет к непропорциональному росту тока и, следовательно, к нарушению закона Ома. Возврат системы к более низким напряжениям не приводит к восстановлению исходной проводимости, как правило, проводимость увеличивается.

Электродные реакции могут быть обратимыми и необратимыми. При обратимых реакциях ион, порожденный на одном электроде, разряжается на втором, в виде нейтрального образования диффундирует к первому электроду и затем превращается опять в ион. Общее количество заряда не меняется, химических преобразований нет. Во втором случае происходит химическое преобразование компоненты реакции. Если продукт реакции вступает во взаимодействие с электродами или с молекулами жидкости с образованием ионов, то возможно катастрофическое нарастание проводимости жидкости.

Характерным является то обстоятельство, что по мере дальнейшего роста напряжения темп роста проводимости увеличивается. Ранее, как отмечено в работах, экспоненциальный рост проводимости приписывали процессам ударной ионизации молекул жидкости.

Рождение ионов вблизи металлического электрода в условиях сильного электрического поля управляется изменением потенциала двойного слоя DV

J = 2 Jо sh(DV× e/ кТ) (3.7)

где Jо - ток обмена электродной реакции, зависящий от концентрации частиц, участвующих в реакции, скорости реакции и её энергетического барьера. Значение DV изменяется как за счет непосредственного действия электрического поля DV₁=X_а Е, где X_а –расстояние от электрода до точки, где происходит электронный обмен, так и за счет неразряжающихся ионов DV₂ = X_а× q / e_о e, где q поверхностная плотность зарядов неразрядившихся ионов. Оценки DV для Е=150 кВ/см, X_а=10-20 Å, q=s_E Е t, s_E = 10^-14 См/см, t» t_m дают DV₁»DV₂ = (1,5¸3)×10^-2 В. Конечно, это значение заметно влияет на ток в промежутке, поскольку инжекционный ток сравним с током обмена. При этом, ток остается пропорционален исходной проводимости жидкости.

В неполярных жидкостях существует дополнительный потенциальный барьер для инжектированных ионов, связанный с действием сил изображения. Ион может стать свободным, только отойдя от электрода на некоторое расстояние за счет диффузии d_D =(e / 4 p e_о e Е)^0.5.

Поскольку с ростом Е расстояние d_D уменьшается, теория предсказывает резкую зависимость инжекционного тока от напряженности. Это нашло подтверждение в результатах, представленных в работе, где ток в неполярной жидкости циклогексане возрос примерно в 2000 раз в поле напряженностью 150 кВ/см относительно того значения, которое было бы при низковольтной проводимости. Таким образом, электрохимическая инжекция носителей заряда может привести к значительному росту тока, что должно отразиться на ВАХ в виде монотонно ускоряющейся кривой. В наших экспериментах по электропроводности чистого перфтортриэтиламина (рис.3.6.) было получено увеличение удельной электропроводности примерно на два порядка при изменении напряженности поля от нуля до 300 кВ/см.

 

Рис. 3.6. Ряд 1 – нерж. сталь, зазор 0,8 см, ряд 2–нерж. сталь, зазор 0,4 см, ряд 3. – сталь-3, зазор 0,4 см

 

Порог ударной ионизации

В настоящее время считается доказанным, что ударная ионизация возникает в сжиженных благородных газах под действием умеренных электрических полей ~100 кВ/см, а также в чистых углеводородных жидкостях, таких как пентан, декан и циклогексан. Для них выявлено пороговое значение напряженности E_пор» 7 МВ/см, выше которого можно говорить об ударной ионизации непосредственно в жидкости. Для других жидкостей, – аргон E_пор» 4 МВ/см, жидкий азот E_пор» 11 МВ/см.

Экспериментальные доказательства того, что ударная ионизация действительно возникает:

– при указанной напряженности возникают короткие импульсы тока (< 4 нс);

– инжектированный за импульс заряд определяется только радиусом кривизны 0,5÷10 мкм и не зависит от U и от P;

– период времени между импульсами уменьшается с ростом напряжения и показывает высокую стабильность;

– каждый импульс порождает пузырек у острия, размер и время жизни которого зависят от внешнего давления.

Таким образом, можно считать, что при напряженности порядка 10⁷ В/см в жидкости все-таки может возникать ударная ионизация.

Введение.

Электрический пробой жидкости – это образование проводящей области у одного или нескольких электродов и продвижение этой области в виде разветвленного дерева в направлении противоположного электрода.

Вид разветвленной структуры различен при пробое с катода и с анода. При пробое с катода – растет куст со скоростью развития меньше звуковой скорости V<V_зв. При пробое с анода прорастает слаборазветвленное дерево (нить) с сверхзвуковой скоростью V>V_зв.

Нерастворимые примеси.

Электрическая прочность жидких диэлектриков на постоянном и переменном напряжении очень чувствительна к загрязнениям, в том числе твердым нерастворимым. Исходная жидкость перед заливкой в аппарат содержит некоторое количество примесей, определяемое технологией производства и очистки, способом транспортировки и природой самой жидкости. При заливке жидкости в аппарат в жидкость попадают загрязнения с деталей конструкции и бака аппарата. В случае использования жидкостей в коммутаторах и при испытании жидкостей на электрическую прочность, если не обеспечивается необходимая скорость замены жидкости в рабочем зазоре, происходит интенсивное загрязнение жидкости продуктами ее разложения и эрозии электродов под действием разрядов. При применении жидкостей в качестве рабочей среды в электрофизических технологических установках, использующих энергию искрового разряда, они загрязняются частицами обрабатываемого материала и продуктами эрозионного и абразивного износа электродов и деталей рабочих камер. Примесные частицы по степени снижения электрической прочности изолирующих жидкостей располагаются в такой последовательности: металлические – из оксидов металлов – диэлектрические увлажненные – диэлектрические сухие.

Загрязненная жидкость представляет собой сложную многокомпонентную суспензию; взвешенные в жидкости примеси различаются, как правило, по гранулометрическому составу и свойствам образующих их материалов, форме частиц. В таких суспензиях возможны процессы агрегирования частиц, структурообразование коллоидной фракции, заряжения частиц в результате адсорбции ионов и электронов. Соли, кислоты и щелочи, содержащиеся в качестве примесей в твердых частицах, увеличивают концентрацию носителей зарядов. При длительном воздействии напряжения поляризованные частицы могут образовывать мостики, перемыкающие электроды.

Твердые продукты разложения углеводородов плазмой разряда не только снижают электрическую прочность жидкости, но и влияют на интенсивность и характер ее последующего разложения. Скорость газообразования при электрических разрядах в углеводородных жидкостях увеличивается при возрастании концентрации углерода (сажи) особенно быстро в области значений, больших или равных 6 – 8%. В поле электродов острие – плоскость наличие в трансформаторном масле продуктов разложения от предшествующих разрядов на постоянном напряжении при межэлектродных расстояниях больше некоторого критического (единицы – десятки сантиметров) изменяет эффект полярности на обратный, т.е. U_прпромежутка +О –П становится больше, чем –О +П. Образование мостиков из примесных частиц рассматривается как причина пробоя загрязненных жидкостей при воздействии переменного и постоянного напряжения.

Экспериментальные исследования показывают, что даже при длительном приложении напряжения частицы примесей очень малых размеров при концентрациях, соответствующих технически чистым изоляционным жидкостям, практически не влияют на электрическую прочность. Например, изменение размеров пор фильтров от 5 до 1 мкм не изменяет Е_пр трансформаторного масла. Из этого следует, что при использовании изолирующих жидкостей нет нужды усложнять и удорожать технологию их очистки, добиваясь удаления примесей субмикронных размеров. Углеродистые и металлические включения даже при концентрациях 0,0005 – 0,005% резко снижают U_пр масла при постоянном и переменном напряжении. В то же время волокна целлюлозы (частицы ткани, электрокартона, бумаги), если они сильно не увлажнены, оказывают существенно меньшее отрицательное влияние на U _пр. Примесные частицы больших размеров достаточно эффективно удаляются хорошо освоенными в практике методами: центрифугированием, многократным пропусканием под давлением через систему фильтров, отмучиванием (введением мелкодисперсной глины) с последующей фильтрацией (табл. 4.3).

 

 

Таблица 4.3. Электрическая прочность трансформаторного масла при частоте 50 Гц и различных способах очистки.

Метод очистки	Епр, кВ/см
Неочищенное масло Центрифугирование Бумажным фильтром Мембранным фильтром Уплотненным фильтром (одинаковое фильтрование) Уплотненным фильтром (многократное фильтрование)

 

При импульсном напряжении примесные частицы в жидкости можно считать неподвижными. В этом случае, рассматривая частицы как некоторые слабые звенья, при анализе зависимости Е_пр от концентрации примесей с можно получить уравнение надежности изоляции. Не приводя выводов, скажем, что уменьшение Е _пр (при заданном t) или времени разряда (при Е = const) с ростом с описывается кривой с насыщением. В области наносекундных экспозиций напряжения предсказываемый ход зависимости Е_пр (или U_пр) от с подтверждается