Процессы пробоя
Экспериментальные исследования пробоя твердых веществ показали, что пробивная напряженность определяется в основном структурой материала, формой поля и видом воздействующего напряжения. Так как, кроме того, прочность зависит от скорости подъема и времени воздействия напряжения, объема и толщины изоляции, а также от температуры, то на определение размеров изоляции влияют не столько константы материала, сколько относительные параметры, определенные при одних и тех же условиях. За пробой твердой изоляции в зависимости от рода материала и вида воздействующего напряжения могут быть ответственны разные процессы. Поэтому рассмотрим сначала общую зависимость разрядного напряжения от времени воздействия напряжения и температуры.
Если построить зависимость разрядного напряжения от времени воздействия, то получатся диаграммы, показанные на рис. 8.43 и 8.44.
Об электрической прочности материалов с высоким tg δ, таких, например, как гетинакс, поливинилхлорид, некоторые виды эпоксидной изоляции, изоляция электрических машин, можно судить по рис. 8.43.
Рис. 8.43 Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения:
1 — импульсные напряжения; 2 — периодические перенапряжения (испытания переменным напряжением); 3 — длительная работа
Рис. 8.44. Зависимость электрической прочности полиэтилена при комнатной температуре от времени воздействия напряжения
Целесообразно выделить следующие характерные области:
чисто электрический пробой (I), наблюдаемый при кратковременных воздействиях напряжения и не слишком высоких температурах;
тепловой прибой (II), имеющий место при достаточных для термического разрушения изоляции временах;
так называемый дендритный пробой (III), требующий большого времени и связанный с процессами старения изоляции в местах с высокой электрической нагрузкой.
Так как последний вид пробоя часто связан с дефектами изоляции, возникшими при ее изготовлении (микрозазоры, проводящие включения), то в литературе его иногда называют пробоем, обусловленным технологией изготовления, или пробоем в ослабленном месте.
В качестве примера зависимости прочности от времени изоляции с малым tg δ (полиэтилена, чистой эпоксидной смолы и др.) на рис. 8.44 приведена так называемая «кривая жизни» полиэтилена. Характерной особенностью такой изоляции является отсутствие области теплового пробоя, так как потери в изоляции недостаточны для ее термического разрушения. Следовательно, за областью электрического пробоя идет сразу область пробоя в ослабленных при изготовлении изоляции участках, где также оказывают влияние процессы старения. Переход между обоими механизмами разрушения всегда плавный, и поэтому им трудно приписать определенные значения времени воздействующего напряжения или напряженности поля. Преимуществом двойного логарифмического масштаба, при котором характеристика прочности изоляции представляет собой прямую линию (рис. 8.44), является то, что из нее при определенных предположениях получают электрическую прочность при длительном воздействии в процессе эксплуатации. В этом случае можно говорить об эмпирически установленной закономерности, которую в специальной литературе называют «законом жизни» изоляции. Он формируется следующим образом:
(8.58) или
(8.59)
Здесь Е — напряженность поля; t — ожидаемое время жизни изоляции (время, в течение которого изоляция выдерживает напряжение, соответствующее напряженности Е); N — показатель степени «кривой жизни»; А = const.
Большие значения N означают малый наклон прямой (рис. 8.44) или большой ожидаемый срок жизни изоляции. Для кабельной, эпоксидной и других видов изоляции N= 10-15.
8.2.2.1. Электрический пробой.
В зависимости от материала, полученного при наблюдениях с помощью различных приборов, существует ряд совершенно различных теорий пробоя, некоторые из них кратко будут рассмотрены ниже.
Согласно современным представлениям чисто электрический пробой твердого вещества происходит под воздействием свободных подвижных электронов. Хиппель [8.50] при исследованиях ионных кристаллов (например, NaCI) установил, что электроны под действием постоянного электрического поля ускоряются и движутся от катода к аноду. На своем пути они испытывают многократные соударения, что приводит к появлению новых электронов. Вторичные электроны также участвуют в процессе, и возникает лавина, приводящая к пробою. В результате ударной ионизации создаются положительные ионы, остающиеся в следе лавины и образующие объемный заряд у катода. Поэтому напряженность поля у катода увеличивается, ударные процессы становятся все интенсивнее, что ускоряет процесс пробоя.
В работах Хиппеля остается открытым вопрос о происхождении первичных электронов, приводящих к разрушению твердого вещества. Для ответа на этот вопрос Фрелихом [8.44] и Френкелем [8.51] была открыта закономерность, согласно которой ответственными за пробой твердой среды не являются ни наличие свободного электрона, ни процесс ударной ионизации электронами. Эти авторы исходили из возможности активации находящихся в материале электронов и учитывали при этом заселенные электронные уровни (донаторы) в пределах запрещенной зоны (см. п. 8.2.1). При увеличении напряженности электрического поля, т. е. при подводе электрической энергии, происходит активация электронов в донаторах, увеличение электропроводности и наступает так называемый коллективный электронный пробой.
В последнее время удалось доказать, что следы каналов разряда в частично кристаллизованных полимерах, таких, как пропилен и полиэтилен, располагаются, как правило, вдоль граничных поверхностей так называемых сферолитов [8.52]. В пропилене, полиэтилене и других высокомолекулярных полимерах имеются кристаллоподобные структуры (сферолиты), различимые только с помощью электронного микроскопа. Эти структуры окружены аморфными слоями (рис. 8.45).
Аморфные участки высокомолекулярных полимеров можно рассматривать как технологически обусловленные слабые места, в которых и начинается разряд, и прорастает канал разряда. Это означает, что в этих местах создаются благоприятные условия для беспрепятственного ускорения свободных электронов, причем собственно разрушение материала происходит в результате ударной ионизации.
Рис. 8.45. Морфологическая структура частично кристаллизированного высокомолекулярного полимера с кристаллическими (1) и аморфными участками (2), соединительными цепочками (3), концами молекул (4) и обратными связями (5)
С помощью этой теории, которой придерживается прежде всего Артбауэр [8.53], можно объяснить так называемый эффект объема (снижение электрической прочности при увеличении объема изоляции) при кратковременном воздействии напряжения (электрическом пробое). С увеличением объема возрастают число статистически распределенных в веществе неоднородностей (ослабленных мест) и вероятность пробоя в них. Так как в данном случае речь идет о статистических закономерностях, то это явление называют также статистическим эффектом объема.
На основании многочисленных исследований образцов авторы [8.54, 8.55] пришли к выводу, что пробой в определенных материалах является следствием усиления поля объемным зарядом. Предпосылкой к появлению объемного заряда является возможность длительного нахождения носителей зарядов в слабопроводящих высокомолекулярных полимерах и накопления электронов в глубоких энергетических ловушках.
При воздействии переменного напряжения в каждый отрицательный полупериод электроны эмитируются в вещество с катода и захватываются там ловушками. В положительный полупериод часть инжектированных электронов активируется и возвращается обратно на электрод, а часть остается в диэлектрике. Такой механизм предполагает образование отрицательного объемного заряда у электродов. Наличие объемного заряда приводит к усилению поля в области между объемным зарядом и соседним электродом при изменении полярности переменного напряжения (гетерогенной поляризации), при этом вблизи электрода возникают местные высокие градиенты потенциала, что и приводит к пробою. В случае неоднородного поля такой пробой начинается у наиболее острого электрода в положительный полупериод напряжения.
Рис. 8.46. Объяснение физического эффекта объема:
а — электродная система с объемными зарядами у краев; б — распределение напряженности электрического поля; в — распределение напряженности поля в момент распространения объемного заряда до середины промежутка; г — то же, но при больших расстояниях S2 И S12
С объемным зарядом связан и эффект объема, который называют физическим объемным эффектом. Он проявляется так же, как и упоминавшийся статистический эффект объема. Впрочем, физический объемный эффект имеет место лишь при изменении толщины изоляции s, в то время как статистический эффект проявляется и при изменении площади (например, длины кабеля). Для того чтобы не путать этот эффект со статистическим эффектом, его называют также эффектом толщины. Причиной, вызывающей эффект толщины, является то, что постепенно накапливаемый в диэлектрике объемный заряд занимает все увеличивающиеся области у электродов и в толстом слое может накопиться больший заряд, чем в тонком слое [8.41, 8.54].
Если использовать упрощенную модель плоского конденсатора (рис. 8.46,а, [8.41]) толщиной s с зонами у обоих электродов ds, плотность отрицательного заряда (—р) в которых постоянна, и записать уравнение Пуассона для потенциала Ф, то получим
и процесс инжекции электронов прекращается.
Сравнение распределения напряженностей поля при различных толщинах изоляции показывает, что область s11 (рис. 8.46,в), где напряженность превышает среднюю, например, на 50%, при переходе к толщине s2 изменяется до значения s22 (рис. 8.46,г). Таким образом, при увеличении расстояния между электродами увеличивается и объем сильно нагруженной части изоляции, следовательно, возрастает вероятность пробоя, хотя абсолютное повышение напряженности у анода остается неизменным.
В рассматриваемом случае ответственным за повышение напряженности следует считать физический эффект объема, который при очень больших объемах носит статистический характер. В [8.41] показано, что уравнение (8.58) должно быть скорректировано путем введения так называемого коэффициента объема равного отношению объема изоляции V1 к объему V2, для которого известен срок жизни.
Рис. 8.47. Влияние физического и статистического эффектов объема на «кривую жизни»: 1,2 — статистический эффект; 3 — статистический и физический эффекты
Тогда срок жизни изоляции находится из следующих соотношений:
(8.64) и
(8.65)
Из уравнения (8.65) формально следует, что линейная характеристика срока службы, показанная на рис. 8.44, для изоляции с большим объемом V смещается в область более низких напряженностей поля. Это означает, что для обеспечения того же срока жизни изоляцию необходимо нагружать слабее, и наоборот, при одинаковых нагрузках следует ожидать сокращения срока службы изоляции в Kv=V2/V1 раз (рис. 8.47). Проявление физического эффекта объема приводит к дальнейшему снижению допустимой напряженности при длительной работе, причем в этом случае уменьшается показатель N (кривая 3 на рис. 8.47).
8.2.2.2. Тепловой пробой.
Условия термического равновесия. Тепловой пробой изоляции может наступить, если тепло, выделяющееся в токоведущих частях устройства, передается окружающей изоляции и вместе с теплом, вызванным диэлектрическими потерями, не может быть полностью отведено механизмами теплопроводности. Это приводит к неограниченному росту температуры диэлектрика.
Сначала примем, что количество тепла, выделяющегося за счет прохождения тока по электродам, пренебрежимо мало, и рассмотрим лишь процессы в диэлектрике.
Предпосылкой возникновения тепловой неустойчивости в этом случае является большая мощность диэлектрических потерь в единице объема изоляции
, особенно при положительном температурном коэффициенте:
(8.66)
Если коэффициент отрицателен, то диэлектрические потери с увеличением температуры уменьшаются и процесс автоматически стабилизируется, так как отводимая тепловая мощность Р'аb всегда увеличивается с возрастанием разности температур источника тепла (изоляции) и окружающей среды.
Согласно этой модели Uk должно быть пропорционально толщине изоляции, т. е. критическая напряженность Ek должна зависеть от расстояния между электродами. Действительно, Вагнер [8.56] показал, что отвод тепла через стенки цилиндра зависит приблизительно прямо пропорционально от s. При r=
возрастает не прямо пропорционально S, а медленнее.
Зависимость критической точки теплового равновесия, а следовательно, и пробивной напряженности от толщины изоляции при локальном пробое независимо от характера теплоотвода приводит к приближенному уравнению
Техническое значение механизма теплового пробоя заключается в следующем. Очевидно, что при изоляционных материалах с высоким значением коэффициента объемных потерь, пропорционального электропроводности при постоянном напряжении и произведению
при переменном напряжении, в которых возможен глобальный пробой, увеличение толщины изоляции свыше 5—10 см не приводит к увеличению электрической прочности.
В устройствах с незначительной, но неравномерно распределенной электропроводностью, где реально развитие зоны потерь вследствие высокой напряженности в части диэлектрика, возможен локальный тепловой пробой. И в этом случае увеличение толщины изоляции вызывает непропорциональное увеличение напряжения пробоя.
Термические нестабильности приводят во всех твердых изоляционных материалах к характерному эффекту объема или снижению разрядной напряженности при увеличении толщины изоляции.
Частичные и дендритные разряды, электрическое старение изоляции.
Наряду с электрическим и тепловым пробоями в твердых средах наблюдаются и другие формы разряда, которые характеризуются тем, что пробой происходит лишь спустя длительное время, но несколько меньшее, чем время длительной термической прочности. Этот процесс пробоя сопровождается ЧР, возникающими внутри изоляции в зазорах между слоями, трещинах, пустотах или у загрязнений. В этих местах с технологическими дефектами имеет место повышение напряженности электрического поля выше электрической прочности материала и наступают необратимые дендритовидные разрушения диэлектрика, приводящие к образованию разветвляющихся каналов. Последние развиваются во времени до тех пор, пока не будет перекрыт весь промежуток между электродами. Этот вид разряда при длительном воздействии называют также дендритным разрядом. В качестве примера такой формы разрушения диэлектрика на рис. 8.51 приведены фотографии дендритов, возникших у слабого места в полиэтилене низкого давления. Дендритный канал в эпоксидной смоле рассмотрен в 8.2.3.7.
Рис. 8.51. Фотографии мелких частичных каналов (а) и дендрита в полиэтилене LDPE (б) [8.25]
Помимо частичных и дендритных разрядов внутри изоляции могут наблюдаться аналогичные разряды и на ее поверхности. Если исходить из того, что поверхностные (внешние) ЧР иногда устранимы конструктивным путем, то прочностные характеристики изоляции в основном определяются внутренними. Особенно важную роль играют ЧР при длительном воздействии переменного напряжения, так как они периодически возникают вблизи переходов напряжения через нулевое значение, т. е. тогда, когда
(см. 8.2.1.2 и § 10.8). Внешние же ЧР наблюдаются вблизи максимума напряжения (рис. 8.52). Периодически возникающие внутренние ЧР неблагоприятно действуют на изоляцию в двух отношениях. Во-первых, включение прогрессивно увеличивается вследствие разрушения изоляции ЧР, возникают каналы, а, во-вторых, продукты разрушения изоляции, образующиеся при каждом ЧР (озон, водород, низкомолекулярные углеводороды и т. д.), агрессивно воздействуют на изоляцию, вызывая химическую эрозию.
Рис. 8.52. Импульсы внешних (1) и внутренних (2) ЧР
Если изоляция под действием частичных разрядов со временем ухудшает свои свойства (этот процесс называется также
электрическим старением), то в зависимости от вида дефекта в ослабленном месте может произойти в конце концов электрический или тепловой пробой. Опасность электрического старения заключается в том, что оно непременно сопровождается трудно распознаваемыми ЧР. Существует ряд работ, например [8.41, 8.53], в которых экспериментально подтверждаются справедливость уравнения (8.58) и зависимости, приведенные на рис. 8.44, хотя ЧР зарегистрировать не удавалось. Электрическое старение, характерное для любых твердых изоляционных материалов, включает в себя также и такие процессы, которые вызывают необратимые изменения диэлектрика, в том числе и начальные чрезвычайно слабые, технически нерегистрируемые разрушения под влиянием приложенного напряжения, прежде всего — переменного.
Поэтому при выборе размеров изоляционных конструкций с - твердой изоляцией необходимо учитывать помимо кратковременной прочности также и длительную прочность, определяемую потерями энергии в диэлектрике. Рабочая напряженность должна быть выбрана много меньшей, чем напряженность, при которой наступают критические ЧР. Ожидаемый срок жизни изоляции с учетом снижения прочности во времени и эффектов объема в настоящее время принимается не менее 20 лет. Важнейшим средством для выбора уровня изоляции является ее испытание высоким напряжением, а также проведение фундаментальных исследований. Если в ходе испытаний напряжением с измерением уровня ЧР удается обнаружить дефекты в изоляции, обусловленные технологией ее изготовления, то в ходе фундаментальных исследований устанавливаются закономерности, и лишь с помощью экстраполяций результатов, полученных на модели при сравнительно непродолжительном воздействии напряжения, можно прогнозировать поведение изоляции при длительном воздействии.
Особой формой дендритного пробоя является пробой по поверхности твердого изолятора. Он наступает чаще всего в случае пластмассовой изоляции и облегчается поверхностными токами при увлажненном загрязнении. Такие разряды вызывают термическое разложение материала (обугливание).
