Зависимости от физических свойств жидкостей.

Основные характеристики жидкостей:

- диэлектрическая проницаемость ε

- удельное сопротивление ρ (собственное и примесное)

- теплофизические характеристики (плотность жидкости γ, давление насыщенных паров р _s, коэффициент поверхностного натяжения σ, вязкость η)

Поскольку электрический пробой зависит от многих параметров, то чрезвычайно трудно найти такие условия, при которых математически корректно можно было бы выявить зависимость от каждого конкретного параметра, т.к. при этом необходимо поддерживать остальные параметры неизменными. Поэтому реально, зависимости, зачастую проявляются как тенденции, поскольку одновременно меняются несколько параметров.

 

4.2.1. Зависимость от диэлектрической проницаемости. Жидкости, обладающие высокой собственной проводимостью γ, как правило, имеют высокую диэлектрическую проницаемость ε. При длительном воздействии напряжения высокая ε, и соответственно, высокая γ, облегчают газообразование вследствие вскипания и электролиза, т.е. способствуют реализации пузырькового механизма пробоя, для которого характерны более низкие значения Е_пр. Это наиболее очевидная причина. Менее очевидная – при большей диэлектрической проницаемости легче происходит деформация пузырька под действием частичных разрядов в нем, т.е. пузырьковая модель также приводит к зависимости Е_пр от диэлектрической проницаемости.

Поскольку у одной жидкости нельзя поменять ε, то зависимость отслеживается на разных жидкостях. Тенденция такова, что чем больше диэлектрическая проницаемость, тем меньше электрическая прочность.

Так для импульса τ ~ 1мкс, S=1см², зазор d=1см:

Вода Е _пр ≈ 0,3 МВ/см ε = 80 η = 1 сПз

Спирт Е _пр ≈ 0,5 МВ/см ε = 24 η = 0,6 сПз

Глицерин Е _пр = 0,6 МВ/см ε = 40 η = 10³ сПз

Гексан Е _пр ≈ 0,7 МВ/см ε = 2 η ≈ 0,3 сПз

Тр. масло Е _пр ≈ 0,7 МВ/см ε ≈ 2.3 η ≈ 20 сПз

 

Здесь глицерин выбивается из ряда. Рост его прочности связан со значительной вязкостью по сравнению со спиртом или водой.

При переменном и постоянном напряжении при изменении e от 1,88 до 18,7

Lg E _пр = - 0,0588 e +3,026

Для наносекундных импульсов – влияние ослабляется.

Рис. 4.3. Зависимость электрической прочности от диэлектрической проницаемости жидкостей. 1- C₆H₁₄, 2- 1,2 HClC:CHCl, 3- Cl₂C:CCl₂, 4- C₄Cl₆; 5- Cl₂C:CHCl; 6- C₂HC:CCl₃; 7- 1,2,4-С₆H₃Сl₃; 8- (C₂H₅)O; 9-1,1 –C₂C:CH₂; 10-CHCl₃; 11- m-C₆H₄Cl₂; 12- BrH₂C.CH₂Br; 13 –C₂H₅Cl; 14 - 1,1 –Br₂HCl.CHBr₂; 15 – CH₃CH₂.CH₂Br; 16 – 1,1,2,2 – Cl₂HC.CHCl₂; 17 – CH₃CH₂.CH₂Cl; 18- CH₂Cl₂; 19 1,2-HClC:CHCl; 20 – o-C₆H₄Cl₂; 21 – 1,2 – ClH₂C:CH₂Cl; 22 – (HCOCH₃)₃

 

4.2.2. Зависимость от электропроводности. Здесь зависимость более сложная. Дело в том, что электропроводность создается различными добавками, следовательно, могут измениться условия на электродах, условия для движения зарядов, в частности вязкость и даже механическая прочность жидкости. При длительном воздействии напряжения электропроводность γ жидкостей существенно влияет на их электрическую прочность. Увеличение γ уменьшает величину напряженности поля, необходимую для реализации электротеплового механизма пробоя.

Исследование влияния γ на электрическую прочность жидкостей важно для определения границ реализации различных механизмов пробоя жидкостей и оценки применимости в качестве изоляции в высоковольтных импульсных устройствах жидкостей с повышенной проводимостью.

Например, добавки йода в трансформаторное масло или гексан приводят к росту как проводимости, так и прочности. Проводимость растет примерно в 2–3 раза, в зависимости от уровня исходной проводимости при концентрации 0,01–0,07 г/л, прочность растет на 20–30%, причем наибольший эффект достигается при электродах острие – катод – плоскость – анод (постоянное, импульсное).

При импульсных воздействиях напряжения длительностью порядка десятков микросекунд и менее для диэлектрических жидкостей различного химического состава разрядные характеристики (пробивное напряжение, скорость развития разряда и др.) не коррелируют с электропроводностью.

 

Таблица 4.1. Разрядные характеристики различных жидкостей

Разрядные характеристики	Жидкости
Бензил. спирт	Дистилл. вода	Этиловый спирт	Глицерин	Трансф. масло
	1,8ּ10-6	4,3ּ10-6	1,5ּ10-7	6,4 ּ 10-8	1 ּ 10-14
	2 ּ 105	1,4 ּ 106	2,5 ּ 105	8 ּ 105	1,3 ּ 105
	1,7 ּ 105	6 ּ 104	2 ּ 105	3,3 ּ 105	1 ּ 105

 

Этот результат можно объяснить тем, что при данных γ и t не выполняются условия предразрядного газообразования. При больших γ и t, когда в предразрядный период вполне вероятно образование в жидкости газа, следует ожидать наличия зависимости разрядных характеристики от γ. Литературные данные о влиянии γ на электрическую прочность жидкостей с повышенной проводимостью (обычно водные электролиты) противоречивы.

Установлено, что эти противоречия обусловлены в основном двумя причинами. Первая – сложный характер связи Е_пр (или U_пр) с γ, зависящей к тому же от геометрии поля и полярности импульса. Вторая – зависимость электрической прочности электролитов от их проводимости может определяться не столько физическими процессами в разрядном промежутке, сколько зависящей от γ и параметров разрядного контура (сопротивления жидкости) деформацией импульса вследствие падения напряжения в разрядном контуре из-за протекания больших токов проводимости.

В целом тенденция такова, что с ростом электропроводности падает электрическая прочность. Это так, если не касаться отдельных добавок и очень коротких импульсов (наносекунды).

Например, если рост электропроводности неполярной жидкости вызван содержанием воды, то электрическая прочность заметно падает. Для очищенного, дегазированного масла с 700 кВ/см падает до 100 кВ/см, при содержании воды 2^.10^-4 г/л или 2^.10^-2%.

 

4.2.3. Влияние плотности и вязкости. В старых работах, когда считалось, что пробой жидкости аналогичен пробою газов, только с гораздо более высокой плотностью, предполагалось что это можно доказать изучая зависимость Е(ρ). Действительно, если взять жидкости с одной структурой, например предельные углеводы С _n H _2n+2 то их электрическая прочность монотонно растет с ростом плотности.

Рис. 4.4. Качественная зависимость E _пр от плотности.

Однако с ростом плотности растут вязкость, поверхностное натяжение, температура кипения и фактически рост прочности может быть обусловлен именно этими факторами.

От вязкости. Зависимость предпробивного времени (время до пробоя) от вязкости была явно продемонстрирована в работе Красуцкого (1966 г). Гексахлордифенил обладает очень резкой зависимостью вязкости от температуры, от 10 Пз при 65°С до 10⁷ Пз при 20°С. При этом предпробивное время меняется от 10^-5 сек. до 10 сек., при больших вязкостях явно видны появляющиеся и растущие пузырьки. На импульсе 10/50 мкс зависимость проявляется как Е(t(η)) меняясь в 5 раз от 1,3 МВ/см до 5,5 МВ/см. Другой пример был ранее продемонстрирован с глицерином.