Эффекты пространственного заряда

В сильном электрическом поле заряды могут проникать в диэлектрик путем инжекции из электродов и, попадая в ловушки, образовывать пространственный заряд. Объемный заряд может также появляться в материале при разделении зарядов ионных примесей. Поля этих объемных зарядов складываются с внешним электрическим полем или вычитаются из него, что приводит к локальному возмущению поля. Следовательно, можно ожидать, что пространственный заряд должен оказывать влияние на процессы пробоя. В постоянном поле объемный заряд накапливается постепенно.

При выключении поля объемный заряд распадается за промежуток времени от нескольких секунд до нескольких часов. В случае, когда инжектированные заряды имеют тот же знак, что и электрод, а общий эффект от их появления заключается в том, что поле проникает в центральную часть диэлектрика. По этой причине объемный заряд может послужить причиной преждевременного пробоя. Разделение зарядов, начинающееся в объеме диэлектрика, способно приводить к усилению поля вблизи электродов, что в еще большей степени уменьшает долговечность изолятора. Поэтому при разработке материалов для высоковольтной изоляции необходимо контролировать возможность накопления в нем объемных зарядов, принимая меры для его снижения. Особое внимание следует уделять удалению примесей из объема материала и на границе с электродами [4].

В случае переменных полей пространственный заряд играет гораздо меньшую роль, вследствие того что изменение направления поля каждый раз отменяет результат предыдущего полупериода. Измерения все же показывают, что объемный заряд возникает и в переменном поле, что связано, по-видимому, с неоднородностью материала изолятора в объеме и на границе с электродами.

Конструкция высоковольтных изделий

Силовые кабели

Естественными изоляционным материалом для использования в качестве изоляции электрических силовых кабелей являются термопласты, по той причине что а) кабель изготавливается простым непрерывным методом экструзии, б) термопласты отвечают требованиям по сочетаниию прочности и гибкости в конечном изделии и в) они обладают превосходными изоляционными свойствами. Однако при использовании изолятора из термопластиков в высоковольтных установках возникают проблемы, связанные с наличием мелких пор и неоднородностей, зачастую появляющихся из-за различия коэффициентов термического расширения на границе между изолятором и металлическим проводом (обычно медным или алюминиевым) или оболочкой кабеля.

В порах происходят газовые разряды, особенно если они расположены вблизи центрального провода, где напряженность поля выше, в результате кабель имеет низкие значения НВР. Полностью исключить образование пор очень трудно, но можно снизить вероятность электрического пробоя, помещая между металлическими частями кабеля и его изоляцией слой электропроводящего пластика. Проводящий пластик обычно представляет собой наполненный сажей полимер, из которого изготовлена изоляция, и поэтому прочно с ней связан. Этот слой находится практически под тем же напряжением, что и граничащий с ним металл, так что в порах напряженность поля практически отсутствует и их влияние сводится к нулю. В кабельной промышленности такой способ применяется при изготовлении кабелей среднего и высокого напряжения с пластиковой или каучуковой изоляцией.

В течение срока службы кабель может испытывать перенапряжения, сопровождающиеся кратковременными повышениями температуры из-за джоулева нагрева. Для снижения опасности теплового или электромеханического пробоя в этих условиях используют сшитый полимер, обладающий повышенной прочностью при высоких температурах.

Тонкослойные конденсаторы

Одно из основных требований к конденсаторам — они должны быть малых размеров, т.е. иметь большое отношение емкости к объему (C/v). Легко показать, что для плоскопараллельного конденсатора, большая величина данного отношения требует использования тонких пленок. (Реально доступный диапазон изменения диэлектрической проницаемости невелик и поэтому играет второстепенную роль.) При этом напряженность поля в диэлектрике обратно пропорциональна его толщине, поэтому пробивные характеристики материала при использовании тонких пленок играют особенно важную роль [4].

Пленочные конденсаторы с полимерным диэлектриком для средних напряжений в большинстве случаев представляют из себя плоскопараллельную, конструкцию из двух свернутых в рулон лент, каждая из которых имеет металлический слой. Электроды наносятся на пленку напылением тонкого слоя (~ 0,1 мкм) металла. Толщина полимерной пленки (полипропилен, поликарбонат, полистирол) составляет 10 мкм и менее, что для напряжения сети 240 В дает напряженность электрического поля 24 MB•м⁻¹. Для того чтобы выдержать столь сильное поле, пленка должна быть очень высокого качества, т. е. свободной от пор и примесей. К счастью, такие конденсаторы способны самовосстанавливаться. Пробой в области неоднородности приводит всего лишь к испарению металла из расположенной вблизи нее части электрода, после чего процесс пробоя останавливается. Каждое такое событие немного уменьшает площадь электрода и при частом повторении может вскоре привести к значительному снижению емкости конденсатора. Разряды чаще всего возникают в пузырьках воздуха между слоями, что становится серьезной проблемой при высоких напряжениях. Для исключения подобных явлений конденсатор пропитывается жидкостью, обладающей высоким пробивным напряжением. Если используемая жидкость имеет большую диэлектрическую проницаемость, в полости, которую она заполняет, снижается напряженность поля и, соответственно, вероятность пробоя [4]. Необходимо учитывать, что диэлектрик не должен обладать высокими диэлектрическими потерями, иначе в переменном поле будет происходить перегрев конденсатора, что может способствовать его пробою.

Приложение: статистика пробоя

Случайные вариации данных электрического пробоя представляют проблему при разработке изделий, в которых изоляция должна обладать гарантированными свойствами и сроком службы. Особенно актуальна данная проблема для высоковольтных кабелей, которые должны надежно работать на больших расстояниях под землей в течение длительного времени, часто не менее 40 лет. При испытании идентичных образцов изоляции в одинаковых условиях пробой обычно происходит при разных значениях напряжения (в условиях повышения напряжения) или через разные промежутки времени (при постоянном напряжении). Для того чтобы практически оценивать эксплуатационные характеристики изоляции и предсказывать срок ее службы, необходимо применять статистический анализ данных испытаний.

При исследовании причин выхода из строя компонентов изделий и систем, в особенности в электронике и аэрокосмической промышленности, было предложено множество статистических моделей анализа полученных данных. В каждой модели используется свое распределение вероятности выхода из строя, поэтому важно выбирать такую модель, которая соответствует действительному распределению, присущему данному изделию или явлению. В случае электрического пробоя имеется множество механизмов, которые к тому же могут иметь место одновременно, поэтому к выбору статистической модели следует подходить с особой осторожностью. Тем не менее, одна из таких моделей, модель Вейбулла, получила широкое распространение и чаще всего используется на практике. Статистическая функция Вейбулла для пробоя диэлектрика имеет вид

(5.9)

Здесь Р_f — вероятность пробоя, a E — напряженность электрического поля, которая постепенно увеличивается и в результате вызывает пробой испытываемого образца. (Последняя величина может также обозначать время до пробоя при постоянном напряжении.) Параметры α и β определяют масштаб и форму распределения и аналогичны средней величине и стандартному отклонению для нормального распределения.

Распределение Вейбулла является распределением с экстремальным значением, соответствующим отказу слабейшего звена системы, что отвечает условиям, при котором происходит электрический пробой.

Уравнение Вейбулла (5.9) может быть преобразовано к следующему виду

ℓg[−ℓn(1−P_f)]=β ℓgE −βℓgα(5.10)

Тогда график зависимости ℓg[−ℓn(1−P_f)]от ℓgE представляет собой прямую линию. Параметр формы β равен наклону прямой, а масштабный фактор α равен величине поля в точке пересечения прямой с осью абсцисс (т. е. отвечает условию ℓg[−ℓn(1−P_f)]=0). Экспериментальные данные удобнее всего графически представлять в этих координатах, и качество аппроксимации показывает, насколько хорошо они соответствуют статистике Вейбулла. Если данные выходят за пределы доверительного интервала в 90%, требуются дополнительные исследования.

Рис. 5.5. Диаграмма Вейбулла для пробоя полиэтилена низкой и высокой плотности [4]

На рис. 5.5 в качестве примера приведены данные для серии испытаний дисков из полиэтилена низкой плотности в стандартных условиях. Масштабный фактор α является основной характеристикой для серии образцов и соответствует величине поля, при которой имеет место пробой для 63% подвергнутых испытаниям экземпляров; в то же время параметр формы β также очень важен, например если требуется определить, через какое время наступит пробой для 1% образцов, что для инженера представляет гораздо больший интерес, чем отметка в 63%.

На практике двухпараметрическое распределение Вейбулла описывает весьма различные наборы данных и используется для аппроксимации самых разнообразных зависимостей. (В этом смысле формула распределения весьма толерантна, и это явилось одной из причин ее популярности.) Ее можно использовать, даже если работают несколько механизмов пробоя, каждый со своим характерным распределением. Хотя все же имеется опасность использования распределения Вейбулла в ситуациях, когда его применимость недостаточно обоснована, тем не менее, оно эффективно используется для анализа пробоя при разработке изделий, когда для данного материала или конструкции механизм пробоя остается, в основном, неизменным. Однако, если требуется сравнивать различные материалы или конструкции по величинам пробойного напряжения или времени до пробоя, следует рассматривать возможность использования статистических методов, не использующих заранее заданных типов распределения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие механизмы пробоя твердых диэлектриков Вы знаете.
2. Объясните причины появления электронного пробоя.
3. Каковы основные причины использования распределения Вейбулла для анализа пробоя при разработке изделий.
4. Приведите основные типы конструкций высоковольтных изделий.
5. При каких условиях эксплуатации наиболее вероятен тепловой пробой.