Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики обладают более высокой электрической прочностью, чем газы. Это объясняется большей плотностью жидких диэлектриков и соответственно меньшими значениями длины пути свободного пробега электронов. Поэтому для ускорения электронов до скоростей, соответствующих ударной ионизации, требуется создание в жидком материале большей напряженности электрического поля, чем в газообразном.

Электрическая прочность жидких диэлектриков очень сильно зависит от количества содержащихся в них примесей. Например, для минерального масла E_пр находится в пределах от 30 до 500 кВ/см, в зависимости от содержания загрязнения (прежде всего влаги). Электрическая прочность у хорошо очищенных жидких диэлектриков может достигать 1000 кВ/см.

В жидких диэлектриках различают два вида пробоя: тепловой и электрический.

Тепловой пробой характерен для жидкостей, содержащих различные примеси и загрязнения.

Чаще всего в жидких диэлектриках в качестве примесей встречается вода. Под влиянием электрического поля капли влаги поляризуются и превращаются в диполи. Противоположные по знаку заряды, находящиеся в этих диполях, взаимодействуют с приложенным полем и растягивают капли, превращая их в удлиненные эллипсоиды (Рис. 5.7, а). Разноименно заряженные концы эллипсоидов, притягиваясь друг к другу, образуют между электродами так называемые мостики из примесей (Рис. 5.7, б). Поскольку вода обладает повышенной проводимостью, по мостикам проходит ток, разогревающий воду до температуры кипения. В результате вскипания воды между электродами образуется газовый канал, в котором начинается ударная ионизация электронами и происходит пробой, аналогичный пробою в газовых промежутках.

Рис. 5.7. Схема образования мостиков из примесей

Если же в жидком диэлектрике находится не вода, а другие примеси, то газовый канал может появиться в результате испарения самого жидкого диэлектрика. Поскольку диэлектрическая проницаемость жидкого диэлектрика отличается от диэлектрической проницаемости примесей, а напряженность электрического поля распределяется обратно пропорционально ε_r (2.6), на границах жидкости и примесей будут возникать местные повышения напряженности электрического поля (Рис. 5.8). Вследствие этого начинается ударная ионизация и местный разогрев жидкого диэлектрика на границах с примесями. Разогрев вызывает испарение жидкости и образование газовых каналов, по которым и происходит пробой.

Рис. 5.8. Распределение напряженности поля в жидком диэлектрике с примесями

Механизм пробоя, которому предшествует разогрев примесей или самого жидкого диэлектрика рядом с примесями, с образованием газовых каналов, относится к тепловому пробою.

Электрический пробой характерен для хорошо очищенных жидких диэлектриков. В этих случаях, как правило, уже не могут образоваться сплошные мостики из загрязнений и пробой происходит за счет ударной ионизации электронами.

Начальная стадия развития разряда в хорошо очищенной жидкости возникает при значениях напряженности 500 кВ/см и более. При такой напряженности электрического поля начинается эмиссия электронов с катода, а также автоионизация у анода. Автоионизация представляет собой процесс вырывания электронов у молекул диэлектрика под действием сил приложенного поля.

Появившиеся в жидком диэлектрике свободные электроны разгоняются электрическим полем. При столкновениях с молекулами жидкого диэлектрика они могут вызывать их разложение с выделением газов. В результате около электродов образуются небольшие нитеобразные газовые каналы, которые за счет ударной ионизации быстро заполняются плазмой (Рис. 5.9). При одинаковой форме электродов появление плазмы происходит у анода гораздо быстрей, чем у катода. Это объясняется быстрым увеличением проводимости диэлектрика у анода за счет происходящей автоионизации. Таким образом, при одинаковой форме электродов плазменный канал развивается от анода к катоду. В противном случае, разряд начинается от электрода, имеющего меньшие размеры и, соответственно, большую напряженность поля. Если таким электродом является катод, то плазменный канал появляется за счет ударной ионизации электронами, испускаемыми катодом.

Рис. 5.9. Плазменный канал и распределение напряженности поля до его появления (1) и после (2)

Напряженность у головы плазменного канала имеет высокое значение (Рис. 5.9), т.к. канал обладает достаточной проводимостью и является как бы продолжением электрода. Поэтому перед плазменным каналом происходит интенсивная ионизация. Электроны, уходящие по каналу на анод, разогревают плазменный канал до температуры в несколько тысяч градусов. При этом в канале происходит термическая ионизация и он заполняется плазмой с еще большей плотностью заряженных частиц. Проводимость канала и напряженность перед ним снова возрастают.

Ионизация перед плазменным каналом усиливается и он начинает быстро продвигаться к противоположному электроду, пока не замкнет электроды между собой.