Пробой диэлектриков

В трансформаторах, как и в других электрических установках, токоведущие части отделяются друг от друга изоляцией, которая может быть газовой, жидкой, твердой или комбинированной. Если расстояние между электродами достаточно велико, то в качестве изоляции может быть использован атмосферный воздух. Однако для того чтобы трансформаторы и вводы имели приемлемые габариты, изоляционные расстояния должны быть небольшими. Поэтому в трансформаторах применяется комбинированная изоляция, состоящая из твердой и жидкой. Причем твердая изоляция является в то же время и конструктивным материалом, а жидкая — теплоотводящей средой.
Если на токоведущие части электрической установки подать напряжение, то в окружающем пространстве возникает электрическое поле, основной характеристикой которого является напряженность Е. При повышении напряженности Е в каком-либо месте электрического поля выше электрической прочности Е пр в этом месте возникает ионизация (ионизацией называется процесс перехода нейтральных атомов и молекул в ионы, несущие положительные или отрицательные электрические заряды), что в конечном итоге приведет к пробою изоляции.
В качестве изоляции служат вещества, плохо проводящие электрический ток, так называемые диэлектрики.
Любое вещество в электрическом поле испытывает воздействие сил этого поля, под действием которых часть зарядов (электронов) направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные заряды перераспределяются так, что центры положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. Происходит поляризация вещества. Все вещества по способности проводить 5 электрический ток можно разделить на следующие: проводники (металлы, электролиты, плазма); вещества, в которых преобладает процесс перемещения электронов; диэлектрики, в них основным является процесс поляризации.
По сравнению с металлами электропроводность диэлектриков очень мала. Так, удельное сопротивление диэлектриков р=108-=-1017 Ом-см, тогда как удельное электрическое сопротивление металлов р=10_64- 10-4 Ом-см. Между проводниками и диэлектриками существует промежуточный класс — полупроводники, свойства которых в зависимости от условий определяются как электропроводностью, так и поляризацией.

Различия в поведении электронов в проводниках и диэлектриках вызываются различным распределением электронов по уровню энергии.
В твердом теле области энергии, которыми обладает электрон (разрешенные зоны), чередуются с интервалами энергии, которые электрон не может преодолеть (запрещенные зоны). Электроны заполняют энергетические уровни от нулевого до некоторого максимального. Чтобы под действием электрического поля в твердом теле возник электрический ток (направленное движение электронов), надо, чтобы электроны за счет энергии электрического поля могли переходить с нижних энергетических уровней на более высокие. Такой переход возможен в металле, так как к заполненным энергетическим уровням непосредственно примыкают свободные.
В диэлектриках верхний энергетический уровень, заполненный электронами, отделен от следующего более высокого запрещенной зоной, преодолеть которую под действием электрического поля обычной напряженности электроны не могут.
Полупроводники отличаются от диэлектриков более узкой запрещенной зоной. При низкой температуре свойства полупроводников приближаются к свойствам диэлектриков. При повышении температуры электропроводность полупроводников значительно увеличивается.
Вещества с шириной запрещенной зоны Де<2ч-3 эВ относятся к полупроводникам, а с Де>2-=-3 эВ — к диэлектрикам (рис.1).
ровни энергии электронов
Рис. I. Уровни энергии электронов твердого тела группируются в разрешенные зоны, разделенные запрещенными
Жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 1010 Ом-см, являются диэлектриками. Так же, как и в твердых диэлектриках, в жидких под действием электрического поля происходит поляризация и при повышении напряжения выше допустимого происходит пробой. Электрическую прочность жидких диэлектриков в значительной мере снижают находящиеся в них загрязнения. В трансформаторах и вводах в качестве жидкой изоляции применяются электроизоляционные нефтяные масла (трансформаторные) .
Так как электрическая прочность трансформаторного масла значительно выше чем воздуха, то, если удалить из твердой изоляции трансформатора воздух и пропитать ее дегазированным трансформаторным маслом, можно значительно повысить допустимое рабочее напряжение.
Различается несколько видов поляризации: ионная поляризация — сдвиг электронов относительно друг друга; Электронная поляризация — деформация электронных оболочек отдельных ионов; ориентационная дипольная поляризация—диполи (диполи—полярные молекулы), расположенные хаотически, под действием электрического поля ориентируются вдоль его линий. Ориентационная поляризация характерна для полярных жидкостей и газов.
Графически поляризация характеризуется вектором поляризации Р, величина которого пропорциональна напряженности электрического поля Е. Часто вместо вектора поляризации Р пользуются вектором электрической индукции D (индукция—наведение).
Электрическое поле способно, в свою очередь, индуктировать — наводить электрическое поле. Чем выше напряженность электрического поля Е, тем сильнее проявляется эта способность. Следовательно, индукция является физической величиной, характеризующей напряженность электрического поля. Связь между индукцией и напряженностью определяется выражением D=eЕ, где е — коэффициент пропорциональности, называемый диэлектрической проницаемостью, значение которого характеризует электрические свойства данного вещества.
Если перейти к графическому изображению величин, то вектор индукции D будет являться суммой векторов напряженности электрического поля Е и поляризации Р.
Поляризация в момент времени t не определяет значение напряженности электрического поля Е в тот же момент времени t, так как для поляризации требуется некоторый промежуток времени (время релаксации). Следовательно, максимальная поляризация не совпадает по времени с максимальной напряженностью электрического поля. Благодаря этому имеется сдвиг фаз между напряженностью электрического поля Е и электрической индукцией D,которая обусловливает некоторые потери энергии №е. При графическом изображении величин видно, что вектор электрической индукции отстает от вектора напряженности электрического поля на угол б, который называется углом диэлектрических потерь (см. рис. 18).
При ориентации в электрическом поле молекулы или ионы сталкиваются друг с другом и с другими частицами, при этом часть энергии электрического поля переходит в тепловую энергию, которая, рассеиваясь в веществе, вызывает его нагрев, что и является физическим проявлением потерь электроэнергии, называемых диэлектрическими потерями.
Диэлектрические потери будут малы, если время релаксации т будет значительно больше, чем период изменения направления переменного электрического поля Т. При таких условиях поляризация почти не успевает развиться. При малых частотах поля, если время релаксации т значительно меньше периода Т, поляризация успевает за полем, но диэлектрические потери тоже малы, так как в единицу времени происходит мало переориентации.
Максимального значения диэлектрические потери достигают при условии W= 1/т, где W—круговая частота электрического поля W=2n/T.
В жидкостях диэлектрические потери зависят от вязкости жидкости, температуры и частоты приложенного напряжения.
В электроизоляционной технике снижение диэлектрических потерь имеет существенное значение. Хотя в некоторых случаях большие диэлектрические потери используются, например в электрических полях высокой частоты для диэлектрического нагрева.

Классификация электрических полей.

Электрические поля могут быть равномерными (напряженность поля вдоль его силовых линий постоянна) и неравномерными (напряженность поля изменяется вдоль силовых линий, причем на отдельных участках поле может быть равномерным).
Неравномерные поля делятся на: слабонеравномерные, в них напряженность поля вдоль силовых линий меняется не более чем в 2—3 раза, например поле между шарами шарового разрядника; резконеравномерные, в которых напряженность поля вдоль силовых линий меняется на несколько порядков. Неравномерность поля зависит от формы электродов и возрастает с увеличением отношения расстояния между электродами d к наименьшему радиусу их кривизны г. В электроэнергетических установках большинство полей резконеравномерны.
Между электродами одинаковой формы электрические поля симметричны, и несимметричны между электродами разной формы. Чем меньше разница между радиусами кривизны электродов, тем меньше и несимметричность поля. Самой большой несимметричностью обладает поле между стержнем и плоскостью. Напряженность неравномерного электрического поля возрастает по мере увеличения кривизны поверхности электродов. Обычно у краев электрода, имеющего наибольшую кривизну, создается наибольшая напряженность поля, так называемый краевой эффект. В высоковольтных конструкциях для снижения краевого эффекта стремятся по возможности уменьшить кривизну электродов. Кроме того, уменьшить краевой эффект, не изменяя формы электрода, можно, установив за электродом экран, который будет сглаживать кривизну его поверхности (рис. 2).
Картина электрического поля для стержневого электрода
Рис. 2. Картина электрического поля для стержневого электрода:
а — без экрана; б - с экраном
В неоднородной изоляции на границе сред с различной диэлектрической проницаемостью e1 и e 2 происходит преломление и силовые линии искажаются (например, в электрическом поле проходного изолятора). Газ имеет меньшую электрическую прочность, чем твердые и жидкие диэлектрики, кроме того, в газовых включениях, как правило, напряженность поля выше, чем в окружающей среде. В результате в газовых включениях возможно развитие разряда, что приведет в конечном итоге к пробою всей изоляционной конструкции.

Ионизация и возбуждение молекул газа.

В атоме газа вокруг положительно заряженного ядра вращаются на орбитах электроны. Масса электрона (9,1-10-28 г) на четыре- пять порядков меньше массы ядра. В нейтральном атоме заряд электронов равен заряду ядра. Когда электроны расположены на ближних к ядру орбитах, атом находится в устойчивом состоянии. Дальше от ядра находятся неустойчивые орбиты, на которых электроны могут находиться только непродолжительное время.

Атомы газов соединяются в молекулы. Например, молекулы водорода, кислорода, азота состоят из двух атомов (Н2, О2. N2). В молекуле газа электроны взаимодействуют как с ядром собственного атома, так и в несколько меньшей степени с ядром другого атома.
Когда от нейтральной молекулы отрывается один электрон, то возникает однозарядный положительный ион. Возможен отрыв двух или трех электронов и возникновение двухзарядного или трехзарядного положительного иона. Этот процесс называется ионизацией. Для ионизации молекулы требуется затрата некоторого количества энергии, которая измеряется в электрон-вольтах. Энергия 1 эВ равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. Энергия 1 эВ равна 1,6-10~19 Вт-с. Заряд электрона постоянен, поэтому его энергию можно численно измерить значением напряжения (или потенциала) U, выраженного в вольтах.
В процессе газовой ионизации возможен не полный отрыв электрона, а переход его на более удаленную орбиту — возбуждение молекулы. В возбужденном состоянии молекула может находиться не более 10-10 с, после чего электрон переходит обратно на устойчивую орбиту. Для возбуждения молекулы необходима затрата некоторого количества энергии, которая затем излучается молекулой при переходе ее из возбужденного в устойчивое состояние. Значения энергии или потенциалы, необходимые для ионизации U и и возбуждения U в газов и паров некоторых элементов, даны ниже.


Газ

Потенциал

Потенциал

 

ионизации. В

возбуждения. В

Водород

15,4

11,2

Азот...........................

15,8

6,1

Кислород....

12,5

7,9

Гелий.

24,6

19,8

Цезий.

3,88

1,38

Ртуть.

10,4

4,86

"Инертные газы — гелий, неон, аргон, и др.— имеют наибольшие значения £/„ и UB. Потенциалы ионизации и возбуждения атмосферного воздуха близки к потенциалам газов, которые его составляют (азот, кислород, водород).
Схема ударной ионизаци
Рис. 3. Схема ударной ионизации электроном (а); схема ионизации фотоном (б)
Схема ионизации возбужденной молекулы
Рис. 4. Схема ионизации возбужденной молекулы

Основные процессы в разрядном промежутке, при которых молекула получает достаточно энергии для ее ионизации или возбуждения.

Ионизация столкновением, или ударная ионизация (рис. 3), происходит при столкновении молекулы с электроном, при этом число свободных ионов возрастает. Энергия, вызывающая ударную ионизацию, является кинетической; она накопляется на пути столкновения электронов с молекулами.
Фотоионизация возникает, как следствие поглощения молекулой квантов (фотонов) лучистой энергии.
Энергия фотона W=h\, где х — частота излучения, 1 /с; А=6,6- 10~27эрг-с=4,13 10_8эВ-с (постоянная Планка).
Для ионизации и возбуждения необходимо, чтобы h\ bv b^U в- Следовательно, при повышении частоты излучения v увеличивается способность фотона производить ионизацию. Космические лучи у-излучения радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра имеют наибольшую способность вызывать ионизацию.
Когда происходит газовый разряд, то кроме внешних источников энергии появляется энергия самих молекул, участвующих в газовом разряде. В возбужденной молекуле (рис. 4) электрон, смещенный на внешнюю неустойчивую орбиту, удерживается на ней только короткое время (10_,0с). При возвращении электрона на устойчивую орбиту молекула излучает фотон, способный вызвать фотоионизацию другой нейтральной или возбужденной молекулы. Этот процесс имеет решающее значение в развитии искрового разряда.

Рис. 5. Зависимость степени ионизации молекул воздуха от его температуры

Термоионизация.

Температура является мерой кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. При повышении температуры увеличивается число столкновений молекул с электронами, что вызывает ионизацию молекул. Степенью ионизации т называется отношение числа ионизированных молекул N и к общему числу молекул N в данном объеме газа (рис. 5). При достижении температуры 20 000 К практически все молекулы становятся ионизированными. Процесс термоионизации является определяющим в столбе электрической дуги, температура которой находится в пределах 4000—15 000 К-
Поверхностная ионизация — эффект выделения из электродов заряженных частиц в основном свободных электронов. Поверхностная ионизация имеет существенное значение при развитии электрического разряда в газовом промежутке.
В металле свободные ионы находятся в электрическом поле положительных ионов, образующих кристаллическую решетку. Таким образом, на поверхности металла образуется потенциальный барьер, удерживающий свободные электроны внутри металла. Чтобы выйти из металла, электроны должны получить энергию, способную преодолеть потенциальный барьер. Значения потенциалов поверхностной ионизации (энергия выхода электронов) некоторых металлов даны ниже. Из приведенного видно, что потенциалы поверхностной ионизации U пт меньше объемной ионизации U ow. Освобожденные силами электрического поля с катодом ионы уводятся в область газового разряда. При ионизации анода электроны притягиваются к аноду и поглощаются им. Поэтому в развитии разряда основную роль играет поверхностная ионизация катода, которая имеет различные виды.


Металл

Потенциал поверхностной

Алюминий AI......................................

1,8

Медь Си .

3,9

Окись меди СиО........................

5,3

Железо Fe...........................................

. . 3,9

Серебро Ag                                                                             3,1
Платина Pt.......................................................                        3,6
Ртуть Hg..........................................................                        4,5
Цезий Cs................................................................................ 0,7
Окись бария ВаО..............................................                        1,0
Поверхностная ударная ионизация (рис. 6) вызывается ударами положительных ионов по поверхности катода, причем движение электронов ускоряется электрическим полем. Для однократной поверхностной ионизации (освобождение из катода одного электрона) ион должен свободно пройти в поле напряженностью Е расстояние X п и=Un H/E.
Схема ударной поверхности ионизации
Рис. 6. Схема ударной поверхности ионизации
Схема фотоэлектронной эмиссии
Рис. 7. Схема фотоэлектронной эмиссии
Поверхностная фотоионизация (фотоэлектронная эмиссия) (рис. 7) возникает, если на поверхность катода попадают фотоны достаточно высокой энергии, которая должна быть большей или равной потенциалу поверхностной ионизации.
Автоэлектронная эмиссия происходит, когда под действием электрического поля электроны вырываются из катода. Автоэлектронная эмиссия может возникнуть при напряженности электрического поля вблизи катода 106 В/см. Такая высокая напряженность возможна на остриях, если в среде отсутствуют другие формы ионизации, например в вакууме.
Явление захвата электронов — образование отрицательных ионов происходит, когда при поляризации нейтральной молекулы появляется положительный ион и свободный электрон. При наличии у атомов, входящих в нейтральную молекулу, свободных внешних орбит свободный электрон присоединяется (прилипает) к такой молекуле, образуя таким образом отрицательный ион. Энергия, которая выделяется при соединении электрона с молекулой или которую надо на это затратить, выражает сродство электрона с молекулой. В первом случае энергия сродства положитель- на, ва втором отрицательна. Газы с положительным значением энергии сродства называют электрически отрицательными. Молекулы таких газов, захватывая свободные электроны, выделяют энергию, которая излучается или поглощается колебанием молекул. Из природных газов наибольшим сродством к электронам обладает кислород. Очень большим сродством обладают специальные высокопрочные газы.
Потенциал сродства с электронами некоторых газов 12]


Газ

Потенциал сродства. эВ

Кислород 02 .

. . . 2,2

Водород Н2

0,75

Хлор СЬ

3,8

Фтор F2 .

3,9

Азот N2

- 0,6

Аргон Аг

— 1,0

Неон Не

— 1,2

При прилипании к молекуле электрически отрицательных газов выделяется энергия, поэтому для отрыва этих электронов ион должен получить энергию, равную энергии сродства. Поэтому отрицательные ионы газов с положительной энергией сродства устойчивы. Газы же с отрицательной энергией сродства не образуют устойчивых отрицательных ионов, поскольку внутренняя энергия молекулы всегда стремится к минимуму, который устанавливается при высвобождении присоединившегося электрона.
Рекомбинация заряженных частиц — процесс, обратный ионизации, при котором происходит взаимная компенсация зарядов.
Электронной рекомбинацией называется процесс возникновения нейтральной молекулы в результате присоединения электрона к положительному иону.
Ионная рекомбинация (рис. 8) происходит, когда электрон с орбиты отрицательного иона переходит на орбиту положительного, образуя при этом две нейтральные молекулы. Во время процесса рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов.

Подвижность в электрическом поле и диффузия заряженных частиц.

Образовавшиеся в результате ионизации заряженные частицы передвигаются вдоль силовых линий электрического поля и диффундируют (переходят) в окружающее пространство. В результате происходит перераспределение зарядов в межэлектронном промежутке. На движение заряженных частиц кроме сил электрического поля воздействует температура, под действием которой частицы перемещаются из области большей в область меньшей концентрации. Этот процесс называется диффузией. Чем выше температура газа, тем интенсивнее идет диффузия, имеющая большое значение при формировании разряда.

Схема рекомбинации положительного иона
Рис. 8. Схема рекомбинации положительного иона с электроном (а) и отрицательным ионом (б)
Плазма. Как известно, вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Лишь в XX веке было установлено, что существует четвертое состояние вещества — плазма. Плазмой называется газ, значительная часть молекул которого ионизирована, причем плазма не содержит избыточного заряда какого-либо знака (N+=N-).
Чтобы вещество оставалось в состоянии плазмы, нужна достаточно высокая концентрация заряженных частиц. Легкие электроны под действием теплового движения стремятся выйти за пределы объема плазмы. Выходу их препятствуют силы электрического поля между электронами и оставшимися положительными ионами, создавая на границе плазмы барьер. Возникновение такого барьера и удерживает электроны от вылета из плазмы и тем самым поддерживает плазменное состояние вещества.
Для плазмы характерны такие свойства металла, как электропроводность и способность отражать электромагнитные волны. Плазма возникает в электрическом разряде, если в канале разряда происходит в достаточной степени ионизация (дуга, искровой разряд). Помимо электрического разряда плазма может быть получена путем термической ионизации газа. Такая плазма называется низкотемпературной (103—104 К)- Высокотемпературная плазма образует ядра звезд, в том числе и Солнца (Т= 107-М08 К). Получение такой плазмы в земных условиях принципиально возможно в искровом разряде огромной мощности.
Ионизация газа при нормальных атмосферных условиях может возникнуть при минимальной, напряженности поля около 20 кВ/см.

Распределение в лавине электронов заряженных частиц
Рис. 9. Распределение в лавине электронов заряженных частиц
В электрическом поле при напряженности, которая делает возможной ударную ионизацию, возникают лавинные процессы — размножение заряженных частиц электронов и ионов. Расстояние, которое может пройти лавина, равно расстоянию между электродами или при развитии разряда в газовом включении расстоянию между стенками твердой изоляции. Образовавшиеся в лавине электроны и ионы перемещаются под действием электрического поля. В связи с тем, что подвижность ионов значительно больше подвижности электронов, в голове лавины образуется избыток электронов, а в хвосте преобладают положительно заряженные ионы.
Примерный разряд. Чтобы образовалась лавина, необходим хотя бы один начальный электрон, который может быть создан внешним ионизатором. Если начальные электроны непрерывно воссоздаются, лавинный процесс не прекращается. Разряды, вызванные внешними ионизаторами, называются несамостоятельными. Если воссоздание начальных электронов происходит в самой лавине за счет ионизационных процессов, то такой разряд называется самостоятельным. Но и в этом случае необходим исходный начальный электрон для развития разряда.

Разрядное напряжение промежутка с равномерным полем.

С увеличением напряженности электрического поля Е значительно увеличивается ударная ионизация. Ничтожное повышение напряженности поля сверх критической напряженности приводит к образованию самостоятельной лавины, что ведет к образованию между электродами плазменного канала. Ток, проходящий через проводящий канал, определяется внешней цепью, в которую включен промежуток. При атмосферном давлении разряд принимает искровую или дуговую форму.
Уменьшается длина свободного пробега электрона, в результате вероятность ионизации уменьшается. При малых плотностях газа увеличивается длина свободного пробега электрона, но зато уменьшается число молекул в данном объеме. Таким образом, в обоих случаях для возникновения разряда требуется повышение напряжения.
В изоляционных конструкциях со сжатым газом (кабели, конденсаторы) используется эффект увеличения Up при больших плотностях газа. Этот же эффект при малых плотностях газа используется в конструкциях с вакуумной изоляцией (электронно-лучевые трубки высокого напряжения, вакуумные выключатели). Напряжение разряда Up определяется произведением плотности газа о на расстояние между электродами S. Поэтому если плотность газа о увеличится, а расстояние соответственно уменьшится в п раз, то Uр не изменится.
Переход от лавинной формы самостоятельного разряда к искровому разряду в малых промежутках с равномерным полем. Образование стримеров. Каждая лавина в разреженном газе увеличивает число начальных электронов, которые образуют следующие лавины. Этот процесс продолжается, пока промежуток между электродами не заполняется плазмой. Плазма состоит из положительных ионов, оставшихся от предыдущих лавин, и электронов, образованных последующей лавиной.
В разреженных газах начальные электроны создаются в основном за счет фотоионизации с катода. Поэтому потенциал поверхностной ионизации, который определяется материалом, имеет значительное влияние на разрядное напряжение.
Схема стримерной формы разряда
Рис. 10. Схема стримерной формы разряда в малом промежутке с равномерным полем:

При высокой плотности газа, если oS^l, происходит заметное искажение электрического поля положительными зарядами лавины и идет интенсивная ионизация в объеме газа вблизи головки лавины. Вторичные лавины направляются к головке первичной в область большей напряженности. Электроны вторичной лавины, проникая в первичную, образуют с ее положительными ионами Плазменный канал. На конце канала напряженность поля повышается, возникают вторичные лавины, происходит дальнейшее увеличение длины канала и т. д. Быстро увеличивающийся канал называется стримером (stream — поток).
Разряд перейдет в искровую стадию, когда плазменный канал подойдет к катоду и замкнет электроды. В малых промежутках и при больших плотностях газа время разряда около 10~8с. Причем образование вторичных лавин вызывается в основном фотоионизацией в объеме газа.
Возникновение короны у положительно заряженного стержня
Рис. 11. Возникновение короны у положительно заряженного стержня:
а  -  развитие лавины: б - образование облачка избыточных положительных ионов
Самостоятельный разряд в неравномерном поле. Лавинная корона. Так как в неравномерном поле напряженность меняется вдоль пути лавины, то самостоятельный разряд развивается вблизи электрода с меньшим радиусом кривизны (провод или стержень). В этом случае не происходит искрового разряда, потому что ионизационные токи ограничены остальной частью промежутка, где напряженность поля уже недостаточно велика, чтобы вызвать ионизацию молекул. Разряд возникает возле стержня. Такой разряд называется коронным разрядом, или короной.
При развитии короны вблизи положительно заряженного электрода происходит постоянное расширение области, охваченной короной. Под действием сил электрического поля легкие электроны лавины передвигаются к стержню и поглощаются им, тяжелые положительные ионы направляются к катоду. Но так как скорость движения их во много
Возникновение короны у отрицательно заряженного стержня
Рис. 12. Возникновение короны у отрицательно заряженного стержня:
а - развитие лавины, б - образование облачка положительных и отрицательных ионов
раз меньше скорости движения электронов, то стержень оказывается окруженным облачком избыточных положительных ионов. Эти ионы создают дополнительное электрическое поле, которое ослабляет основное поле у стержня и усиливает его вдоль стержня по направлению к катоду. Если корона возникает вблизи катода, то наблюдается обратное явление — происходит стягивание короны к отрицательному электроду. У поверхности катода образуется узкий слой поля высокой напряженности, в котором происходят лавинные процессы. При развитии процесса у отрицательного электрода существенную роль играет фотоэффект с катода, способствующий возникновению самостоятельного разряда. Поэтому начальная напряженность короны при отрицательной полярности Ек( —) ниже, чем при положительной £н( + ). У электродов с радиусом кривизны г > 1 см различие между Ен(—) и £н( + ) незначительно.
В слабонеравномерном поле в малых промежутках возникшая лавинная корона даже при небольшом повышении напряжения приводит к полному пробою промежутка.

Стримерная корона.

Когда в коронном разряде возникают вторичные лавины, то у коронирующего острия образуется высокая концентрация положительных ионов. Создаваемое этими зарядами поле даже при значительном повышении напряженности в промежутке сверх начального напряжения коронного поля становится сравнимым с напряжением основного поля. При таких условиях в разряде возникают стримеры. В головке лавины возникают фотоны, что приводит к возникновению вторичных лавин впереди головки первичной лавины и с боков. Вторичные лавины втягиваются в первичную. Образуется плазменный канал, по которому электроны передвигаются к аноду. Развитие лавины и плазменного канала ведет к усилению поля в глубине промежутка (по направлению к катоду). Вместе с развитием плазменного канала идет возникновение и развитие новых лавин. Средняя скорость продвижения фронта
Стримерная корона
Рис. 13. Развитие положительного (анодного) стримера в неравномерном поле (закончилось развитие начальной лавины):
а возникают вторичные лавины, направляющиеся к головке начальной; б по каналу начальной лавины развивается стример (направление движения фронта стримера указано стрелкой): в — стример заполнил канал в начальной лавине (завершилось развитие вторичной лавины в глубине промежутка)
положительного стримера только на несколько порядков ниже скорости света и равна 108—109 см/с.
Катодный (отрицательный) стример также возникает при достаточной концентрации положительных зарядов в головке лавины и развивается в виде удлиняющегося канала при слиянии лавин. Продвижение канала в глубину промежутка сдерживается тем, что в той части поля, которая пересечена лавиной, напряженность увеличена и резко ослаблена в остальной части промежутка. Поэтому вторичные лавины могут возникнуть, только когда стримерный канал достигнет всей длины первичной лавины. Вследствие этого скорость продвижения катодного стримера меньше скорости продвижения анодного. Стримеры, как положительные, так и отрицательные, могут существовать, пока по ним протекает поток электронов, т. е. электрический ток.
Переход стримера в искровой разряд в промежутках с неравномерным полем. В промежутке с неравномерным полем при подъеме напряжения длина стримера увеличивается до тех пор, пока он не пересечет весь промежуток; тогда произойдет разряд между электродами. В промежутке между симметричными электродами образуются встречные стримеры положительной и отрицательной полярности. При промежутке между электродами в десятки сантиметров в воздухе искровой разряд происходит при средней напряженности поля около 10 кВ/см, что значительно меньше критической напряженности в равномерном поле. Такое явление объясняется тем, что стример искажает поле в непробитой части промежутка и повышает его напряженность вблизи головки стримера.
По каналу стримера, замкнувшего промежуток между электродами, начинает проходить ток разряда, что приводит к повышению температуры и возникновению интенсивной термической ионизации. Это в свою очередь вызывает увеличение проводимости плазменного канала и повышению тока разряда между электродами. В итоге за короткий промежуток времени (10 с) электроды замыкает ярко светящийся искровой канал высокой проводимости.
Газы под большим давлением. В изоляционных конструкциях увеличить разрядное напряжение в газовых промежутках можно повышая давление газа. При давлениях в несколько- атмосфер разрядное напряжение пропорционально давлению. При более высоком напряжении наблюдается снижение роста разрядного напряжения. Это проявляется особенно резко в промежутках стержень — плоскость при положительной полярности стержня. При положительной полярности стержня в электроотрицательных газах происходит резкое падение разрядного напряжения уже при давлении около 10-98,1-103 Па. В газах, в которых нет электроотрицательных составляющих, например в азоте, эта аномалия проявляется слабее.
Внутренняя изоляция электрических машин и аппаратов, как правило, состоит из твердых или жидких диэлектриков. Чтобы изоляционные конструкции имели возможно меньшие размеры, диэлектрики должны обладать высокой электрической прочностью. Кроме того, жидкие диэлектрики должны хорошо отводить тепло, выделяемое проводниками при прохождении через них тока и возникающее в самих диэлектриках вследствие диэлектрических потерь. В трансформаторах и маслонаполненных вводах практически все выделяющееся тепло отводится трансформаторным маслом. Твердая изоляция должна иметь достаточную прочность, так как на нее ложится механическая нагрузка, которая значительно возрастает при коротких замыканиях в системе и резких температурных изменениях. Состояние внутренней изоляции должно систематически проверяться, так как изоляция стареет, что выражается в снижении электрической и механической прочности диэлектриков.
Электрическая прочность твердой, жидкой и комбинированной изоляции. В твердых диэлектриках, как и во всех
твердых веществах, атомы и молекулы плотно упакованы. Тепловое движение происходит как колебание около положения равновесия. Твердые вещества бывают кристаллическими и аморфными. В первых атомы расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, во вторых атомы расположены хаотически.
В жидких веществах связь между молекулами слабее, чем в твердых. Молекулы жидкостей могут перемещаться, но среднее расстояние между ними сохраняется.
Границы между состояниями вещества определяются температурами плавления и газообразования, которые находятся в прямой зависимости от давления. В аморфных веществах нет резко выраженной температуры плавления. С повышением температуры аморфные тела постепенно размягчаются, обратный процесс — затвердение — происходит тоже постепенно.
При нормальной температуре жидкости можно рассматривать как сжатый при давлении 200 МПа газ. Давления в десятки мегапаскаль малы по сравнению с силой сцепления молекул в жидкости, чем и объясняется явление «несжимаемости».
Твердые аморфные тела представляют собой как бы переохлажденные жидкости. Промежуточное место между твердым и жидким состояниями вещества занимают вещества типа смол, которые некоторое время сохраняют свою форму, но затем растекаются под действием собственной массы.
Широкое применение в качестве изоляции имеют волокнистые материалы, пропитанные трансформаторным маслом.
В реальных технических диэлектриках закономерности электрического пробоя, как правило, проявляются в смешанной форме, т. е. в форме, свойственной всем трем агрегатным состояниям вещества.
Наиболее важными характеристиками диэлектриков являются: электрическая прочность при одноминутном испытании £пр, кВ/см; относительная диэлектрическая проницаемость е; тангенс угла диэлектрических потерь tg6; удельное электрическое сопротивление р, МОм-см; класс нагревостойкости, т. е. максимальная допустимая температура во время длительной эксплуатации, которая приведена ниже:


Класс нагревостойкости...................

Y

А

Е

В

F

Н

С

Максимальная рабочая температура..

90

105

120

130

155

180

Выше 180

Электрическая прочность определяется в равномерном поле между электродами специальной формы и при нормированном расстоянии между ними. Если толщина диэлектрика (расстояние между электродами) равна d, см, и пробивное напряжение Unр, кВ, то электрическая прочность £-пр={/пp/d, кВ/см.
В реальной изоляции, где изоляционные промежутки имеют различные формы и размеры, пробой может произойти при напряженности поля, значительно отличающейся от электрической прочности fnp. Поэтому электрическая прочность используется в основном для сравнительной оценки диэлектриков.

 
« Предварительный расчет основных размеров трансформатора   Процессы теплопередачи и тепловые расчеты трансформатора »
электрические сети