Пробой вследствие газового разряда

Электрическая прочность газов гораздо меньше, чем твердых тел, и по порядку величины составляет 3 MB • м⁻¹ или 30 MB •с м⁻¹. Следовательно, под действием высокого напряжения, приложенного к твердому материалу, могут иметь место разряды в газовой среде, окружающей края электродов или заполняющей пустоты внутри образца. Такие внешние или внутренние разряды повреждают материал и при частом повторении ведут к электрическому пробою. Органические полимеры особенно подвержены такому типу пробоя, так как бомбардировка полимерных молекул ионами, образующимися при разряде, ведет к разрыву химических связей. При этом возникают реакционно способные свободные радикалы, вместе с кислородом (зачастую растворенным в полимере) вступающие в реакции деструкции, которые приводят к разрушению изолятора. Разряды в полостях обычно гасятся, поскольку заряды осаждаются на стенках, снижая, таким образом поле внутри полости. Повторный разряд может возникнуть только после того как рассосутся осажденные поверхностные заряды, однако в переменном поле разряд повторяется каждую половину периода и проблема становится гораздо более острой.

ℓ∙ρ(р,Т)/ρ(1торр, 20°С)

Рис. 5.4. Кривая Пашена для воздуха, представляющая зависимость напряжения искрового разряда от произведения длины искрового разряда ℓ на относительную плотность воздуха ρ(р, Т)/ρ(1 торр, 20°С)..

Прежде чем переходить к подробному описанию эффектов газовых разрядов, следует остановиться на природе самих разрядов. В однородном поле пробой представляет собой таунсендовскую электронную лавину, а пробивное напряжение подчиняется закону Пашена, согласно которому минимальное напряжение V_g, необходимое для возникновения искрового разряда в зазоре, определяется произведением ℓ•ρ, где ℓ— ширина зазора, а ρ — плотность газа. Кривая Пашена для воздуха приведена на рис. 5.4, из рассмотрения которой следует, что а) при постоянной плотности газа пробойная напряженность поля увеличивается с уменьшением зазора, особенно быстро при ℓ < 1 мм и атмосферном давлении; б) для данного газа существует минимальное пробивное напряжение, не зависящее от зазора или плотности. (Для воздуха оно составляет около 350 В при комнатной температуре.)

5.4.1. Внутренние разряды и образование дендритов

Для полимерных изоляторов внутренние разряды являются обычным явлением, так как в материале часто имеются поры, возникшие при формовании изделия или связанные с частицами примесей неправильной формы. Диэлектрическая проницаемость газа в порах ε_g обычно меньше, чем для полимера, поэтому электрическое поле внутри поры E_V больше, чем поле Е в среде вокруг нее и при этом зависит от формы поры. Эффект максимален для поры в форме диска, плоскость которого перпендикулярна полю. Тогда максимальное напряжение на образце, при котором разряд в порах отсутствует, при Eg = 1, определяется выражением

(5.6)

где E_g — электрическая прочность газа в порах, a d, — толщина образца и поры соответственно. Подобная зависимость в сочетании с кривыми Пашена для пробоя газов означает, что напряжение, при котором начинается пробой, уменьшается с ростом размера пор, что было подтверждено экспериментально для искусственно созданных пор, заполненных воздухом. Очевидно, что для увеличения срока службы изолятора газовые разряды при рабочем напряжении должны отсутствовать. Величина напряжения, при котором начинаются разряды, часто называемая напряжением возникновения разряда (НВР), является важной характеристикой высоковольтных изделий. Для проведения испытаний промышленность выпускает чувствительные детекторы НВР, снабженные устройствами отображения информации.

Если напряженность поля достаточна для инициирования разряда в существующей полости, в результате в полимере возникает трубчатый канал диаметром 1-5 мкм, распространяющийся в направлении поля. Процесс развивается быстрее в переменном поле, вследствие того что при каждой смене знака поля разряд возобновляется. В результате каналы разрушения растут по направлениям наименьшей прочности, например, вдоль межфазных границ в неоднородном материале. При этом каналы ветвятся, что выражается в формировании характерной структуры, называемой дендритными каналами пробоя. Имеются две основные формы таких дендритов: древовидные и кустообразные (в виде бабочки).

Древовидные дендриты начинаются на границе изолятора рядом с электродом и растут в форме дерева в сторону противоположного электрода. Кустообразные дендриты начинаются с разряда внутри материала и растут одновременно в двух направлениях, к обоим электродам. Древовидные дендриты легко получить искусственно, используя вставленный в образец игольчатый электрод. При подаче высокого напряжения между иглой и электродом на противоположной стороне образца разряды начинаются на кончике иглы, где напряженность поля очень велика и где обычно имеются микрополости. Многочисленные эксперименты такого рода проводились для изучения факторов, влияющих на рост дендритов и поиска материалов, устойчивых к их возникновению.

Иногда рост дендритов начинается не сразу после подачи напряжения, а после некоторого индукционного периода, зависящего от размера и формы пор. Вытянутые поры приводят к быстрому появлению дендритов, тогда как для сферических период индукции больше, так как сначала происходит эрозия стенок поры, а затем начинается собственно рост дендрита. Под действием газовых разрядов дендриты растут до тех пор, пока не соединят противоположные электроды. После этого появляются условия для протекания через образец большого тока и следует полный пробой изолятора.

Имеется несколько способов замедления роста дендритов и увеличения рабочего напряжения материала, в частности снижение числа пустот внутри изделия и/или заполнение пустот диэлектрической жидкостью.

Если пустоты в изоляторе практически отсутствуют, дендриты все же могут образовываться, хотя и при больших напряжениях. В этом случае наблюдаются две стадии образования дендритов: индукционный период, в течение которого разряды отсутствуют и полость образуется, но по другому механизму [4], и далее стадия роста дендрита в результате газовых разрядов. Ключевым моментом в зарождении дендрита является инжекция носителей заряда в местах концентрации поля, например вблизи выступов на поверхности электродов или на частицах примесей. Если напряжение переменное при смене его знака, наличие ловушек зарядов увеличивает локальное поле. В этих условиях часть инжектированных электронов ускоряется полем и они приобретают кинетическую энергию, достаточную для разрыва химических связей и деструкции полимера, ведущей к образованию полости, где могут начаться газовые разряды.

Внешние разряды и тренинг

При конструировании высоковольтных изоляторов важно не допускать преждевременного возникновения воздушных разрядов на краях электродов. Рассмотрим однородную пластину изолирующего материала толщиной d, помещенную между электродом с закругленными краями и заземленным электродом. Края электрода в этом случае играют роль емкостного делителя напряжения V из параллельных конденсаторов с воздушными зазорами увеличивающейся толщины и последовательно соединенных элементов изолятора. Такое рассмотрение позволяет определить вероятность пробоя при краевых разрядах для данного напряжения.

На практике пробой изолятора часто связан с ухудшением изоляционных свойств его поверхности. Следы грязи и влаги неизбежно ведут к появлению поверхностной проводимости, хотя хорошие изоляторы самовосстанавливаются в результате нагрева и очистки поверхности токами утечки. Все же некоторые полимеры при этих условиях необратимо повреждаются в результате трекинга, ведущего к полному пробою материала.

Трекинг начинается при высыхании поверхности и образовании на ней узких сухих полосок, на которые приходится основное падение напряжения, что вызывает поверхностное искрение. При этом полимер обугливается и на поверхности могут образовываться проводящие дорожки, в результате чего полимер вспыхивает, иногда буквально взрываясь факелом пламени. Существуют стандартные тесты для различных условий эксплуатации, позволяющие ранжировать полимеры по их подверженности трекингу. В одном из таких тестов, аэрозольно-пылевом испытании образец полимера покрывают порошком, содержащим 3% хлорида натрия, и создают вокруг него искусственный туман. На медные электроды, закрепленные на поверхности образца на расстоянии 1 дюйм, подается напряжение 1500 В. Критерием выхода из строя служит время, затрачиваемое на закорачивание электродов поверхностными треками [4]. (Материалы, не подверженные трекингу, выходят из строя при эрозии по толщине образца в направлении к заземленной подложке, на которую помещают образец.)