Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.

В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами. Зависимость тока в газе при возрастании напряжения имеет три характерных участка (Рис.9.1.). Первый - линейная зависимость, второй - насыщение, третий участок - экспоненциальный рост. В этой области резко начинают расти и диэлектрические потери. Причина заключается в появлении носителей в промежутке за счет нового механизма - ударной ионизации.

 

 

Рис.9.1. Зависимость тока в газе от напряжения.

 

Ударная ионизация -это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами.

Откуда берутся электроны с повышенной энергией? Электроны появляются из электродов, либо в результате развала отрицательного иона, либо в результате термоионизации. В электрическом поле на электрон действует сила, в результате чего он ускоряется и набирает энергию. После прохождения расстояния l приобретаемая энергия составит DW=eEl. При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

Ионизация электронами происходит, в том случае, если кинетическая энергия налетающего электрона mV²/2 > W по схеме e+A = A⁺ +e+e. Такой тип ионизации называется прямой ионизацией. Здесь А - молекула или атом газа.

Однако возможна ионизация и при меньшей энергии налетающего электрона, если она превышает энергию возбуждения W_возб. Такой тип ионизации называется ассоциативной ионизацией. Она происходит в два этапа, с участием возбужденных молекул A^*. Критерием начала ассоциативной ионизации является W> mV²/2> W_возб. Возможны следующие схемы

e + A = A*+ e, A* + e=A⁺ + e + e

e + A= A* + e, A* + e=A + e + W_i, e + W_i + A=A⁺ + e

e + A=A*, A* + A*=A⁺ + e

Кроме ионизации молекул электронами возможна фотоионизация, термоионизация и автоионизация.

Фотоионизация - выбивание электронов фотонами при энергии фотона не меньше чем энергия ионизации.

Термоионизация - появление свободных электронов и ионов за счет тепловой энергии. Как можно оценить по выражениям (2.5.), (2.7.), она имеет заметные скорости при температуре несколько тысяч градусов.

Автоионизация - вырывание электрона из молекулы за счет действия сильного электрического поля. Заметную роль в появлении электронов автоионизация начинает играть в полях более 10 МВ/см. В реальной электрической изоляции всегда следует учитывать контакт диэлектрика с электродами. При этом возможно зарождение новых носителей заряда с участием электрода фактически с помощью тех же процессов, т.е. фотоэффекта, автоионизации, выбивания электрона положительным ионом.

Как развиваются ионизационные процессы? Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой проходит определенное расстояние, называемое длиной свободного пробега.

Длина свободного пробега, - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до неупругого столкновения с молекулой.

l_ион = 1/(4pnr²) (9.1.)

l_элект = 1/(pnr²) = kT/(p ·p·r²)

где n- концентрация молекул, r- их радиус. Поскольку на каждом столкновении энергия теряется, то электрон не может бесконечно ускоряться и для каждого поля устанавливается определенная скорость V =b·E, где b - подвижность. Поскольку длина пробега иона в четыре раза меньше длины пробега электронов, то ударная ионизация ионами представляется маловероятной.

 

Табл.2.1. Подвижность некоторых носителей заряда в воздухе.

Тип носителей	Подвижность носителей, 10-4 м2/(В·сек)
	воздух	Водород	Пары воды
m-	1.4	6.7	0.47
m+	1.9	7.9	0, 42

 

Для сравнения оценка подвижности электронов в воздухе 0.1 м²/(В·сек). Если энергия на длине пробега достаточна, после первого столкновения в объеме появляются дополнительно 1 электрон и ион, после второго - еще 2 электрона и 2 иона и т.д. Возникает так называемая лавина.

Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами n = n₀ e^ad. Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a = 18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины снова появился на катоде электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g - т.н. вторичный ионизационный коэффициент. Для плотности электронного тока можно получить выражение j = j₀× e/(1-g(e^ad-1)).

Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

1-g(e^ad-1) = 0 (9.2.)

Рис.9.2. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.

Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н. закон Пашена

U = f(pd), или в другом виде E/p = F(pd)

Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Характерная кривая для пробоя газов приведена на рис.9.2. Она имеет минимум, значение которого и положение зависят от типа жидкости. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи pd ~1 Па× м.

После пробоя газового промежутка он заполняется газоразрядной плазмой. В дальнейшем, в зависимости от мощности источника напряжения в промежутке развиваются различные виды разрядов. Если источник недостаточно мощен и давление невелико, то развивается тлеющийразряд. Этот разряд происходит во всем объеме, он имеет несколько характерных зон, основные из которых - темное пространство у катода и светящийся анодный столб. В темном пространстве электроны не имеют достаточно энергии для возбуждения молекул и поэтому нет свечения. В положительном столбе свечение вызвано излучением возбужденных молекул. Анодное свечение используется в люминесцентных лампах.

В случае мощного источника напряжения в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд. Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. Дело в том, что по мере удлинения лавины заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму.

Стример - распространение с высокой скоростью в промежутке проводящего и светящегося плазменного локального образования.

Критерием перехода является выполнение условия ad = 20. Наглядно стример можно представить себе как светящийся шарик из плазмы, пробегающий от одного электрода к другому.

По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что место где прошел стример прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее (см. лекцию 8). Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка и способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя.

Кроме того, для линий электропередач и других систем с резконеоднородным полем возникает особое явление разряда - корона. Это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода, чаще вблизи острых кромок электродов, где локальное электрическое поле может быть очень большим. Они приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Для сверхбольших промежутков, а точнее в случае ультравысоких напряжений, возникает новое явление - аномальный разряд . При напряжении положительной полярности относительно земли выше 3.3 МВ или отрицательной полярности относительно земли выше 5.5 МВ разряд в воздухе приобретает новые свойства, а именно, способность развиваться не в направлении поля, а в произвольном направлении. Это было обнаружено в экспериментах с генератором импульсных напряжений ГИН 7.0 МВ на высоковольтном стенде Сибирского НИИ Энергетики. Было замечено. что при воздействии напряжением положительной полярности 3.5 МВ на промежуток 8 м в некоторых случаях разряд не пробивал промежуток, а уходил в произвольном направлении: в сторону оврага, в облака, в сторону ЛЭП. Однажды, в середине января, в диспетчерском журнале РЭУ Новосибирскэнерго был отмечен “неизвестный случай грозовой активности”. Этот случай произошел из-за экспериментов СибНИИЭ после того, как однажды разряд повернул в сторону ЛЭП. Произошел пробой 150 метрового промежутка “ГИН- грозозащитный трос над ЛЭП”, затем пробой с троса на фазу, после чего в РЭУ «Новосибирскэнерго сработали регистраторы разряда. Подобные эксперименты указывают на предельные возможности воздуха, как изолятора и запрещают переход на повышенные классы напряжения при проектировании и строительстве линий электропередач.

Из эмпирических зависимостей электрической прочности газов от внешних факторов отметим следующие:

Рис.9.3. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальных условиях от температуры

Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT или n = P/kT. Для атмосферных условий влияние изменения и давления и температуры можно учесть так: E = E₀d, где d -относительная плотность d = 0.386Р/(t + 273) (рис.9.3.).

Рис.9.4. Электрическая прочность воздушного промежутка 1 мм при высоких давлениях [2]/

Зависимость от давления. В условиях лавинного пробоя при pd< 100 зависимость E(p)полностью эквивалентна кривой Пашена при d = const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид кривой с насыщением.

Зависимость от межэлектродного зазора. Для лавинного пробоя - аналогична кривой Пашена при р = const. При повышенных давлениях и малых зазорах E = 30 + A/d, где А - постоянная. Экспериментальные данные по пробою микронных зазоров показывают, что пробивная напряженность доходит до 200 кВ/см.
Зависимость от площади электродов. Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е₀S^-1/10. Обычно эту зависимость объясняют наличием т.н. «слабых мест» на поверхности в виде неоднородностей, пленок и т.п., возрастание числа которых с ростом площади приводит к уменьшению электрической прочности.
Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого изолятора и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

Закономерности импульсного пробоя газов

При импульсном пробое газов увеличивается электрическая прочность относительно статического уровня. Это связано с конечным временем формирования разряда, которое, в свою очередь, обусловлено вероятностными характеристиками появления первичных электронов в промежутке, появления вторичных лавин и стримеров и т.д. Значения возникающего перенапряжения, т.е. увеличения пробивного напряжения относительно статического уровня может достигать двухкратного и более уровня.

Пробой жидкостей

Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, считая жидкость плотным газом. Это основывалось на схожести картины разряда и на некоторой схожести разрядных зависимостей. Однако прямое, непосредственное применение газовых аналогий неправильно. Дело в том, что поведение электронов в жидкости кардинально отличается от поведения электронов в газе. Молекулы жидкости расположены столь близко друг другу, столь сильно взаимодействуют друг с другом, что электрон не может свободно двигаться и ускоряться в электрическом поле. В жидкости, кроме особо чистых сжиженных благородных газов, свободные электроны не могут существовать. При попадании свободных электронов в жидкость они сначала сольватируются, затем прилипают к нейтральным молекулам, образуя тем самым, отрицательные ионы. Поэтому понятие длины свободного пробега для жидкости невозможно ввести. Грубая оценка принципиальных ограничений электрической прочности может быть сделана из следующих соображений. Считаем, что электрон может ускоряться на протяжении межмолекулярного расстояния. Используя в качестве длины пробега l_элект межмолекулярное расстояние lможно получить оценку предельной электрической прочности жидкости:

eE_пред l = W

Подставляя значения l ~ 5× 10^-10 м, W ~ 5 эВ, получим, что E_пред~ 10¹⁰ В/м. Эксперименты дают значения на 3-4 порядка меньше.

 

Рассмотрим характер некоторых эмпирических зависимостей электрической прочности жидких диэлектриков от различных факторов.

Зависимость от давления Электрическая прочность жидкостей зависит от давления достаточно слабо Е ~p^1/6-1/12. Иногда эту зависимость представляют в виде кривой с насыщением.

Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например для технически чистого трансформаторного масла электрическая прочность с ростом температуры от отрицательных температур до 30-40 °С уменьшается, затем возрастает в диапазоне до 50-70 °С и потом снова убывает. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение. Объяснение этому будет дано ниже.

Зависимость от межэлектродного зазора. При малых зазорах пробивная напряженность поля резко нарастает с уменьшением зазора. Согласно экспериментальным данным в микронных зазорах пробивная напряженность доходит до 10 МВ/см.

Зависимость от площади Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е = Е₀S^-1/10. Несомненно, что как и в случае пробоя газа она обусловлена вероятностными характеристиками инициирования пробоя.

Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды.

Закономерности импульсного пробоя жидкости

При импульсном пробое жидкостей также увеличивается пробивное напряжение по мере укорочения длительности импульса. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10-20 МВ/см.

Для практических целей предложено и широко используется обобщение эмпирических зависимостей в виде т.н. формулы Мартина.

(9.3)

где постоянная M зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса t следует подставлять в микросекундах, давление в атм., а площадь электродов S - в см². Постоянная А составляет 0.7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0.6 МВ/см для глицерина, 0.5 МВ/см для этилового спирта, 0.6 МВ/см для воды в случае пробоя с катода, 0.3 МВ/см в случае пробоя с анода.

Для пробоя жидкостей существуют специфические зависимости электрической прочности от наличия примесей. В принципе увеличение количества таких примесей, как механические твердые частицы, пузырьки, примеси, увеличивающие электропроводность приводит к уменьшению электрической прочности. Зачастую электрическая прочность является не физической характеристикой жидкости, а технологической характеристикой жидкости и способа ее приготовления.

К настоящему времени не существует теории, позволяющей получать оценки электрической прочности из " первых принципов", т.е. из физической картины предпробивных явлений. Наиболее очевидной представляется гипотеза об ударной ионизации электронами молекул жидкости. На основе этой гипотезы разработан ряд моделей пробоя, позволяющих оценить электрическую прочность простых углеводородных жидкостей и даже предсказать характер изменения электрической прочности с разветвлением структуры молекул. Например, в одной из моделей считается, что электроны при движении в жидкости взаимодействуют с колебаниями связи С-С или С-Н. Энергия колебаний W_v= hn~10^-2-10^-1 эВ много меньше чем энергия ионизации 10 эВ. Если электрон набирает энергию больше W_v, то по мнению авторов, он может двигаться без потерь до достижения энергии ионизации. Подбор параметров дает возможность получить значения электрической прочности E_пр, близкие к экспериментальным данным. Однако при слабых изменениях внешних условий: температуры Т, давления Р, длительности импульса t теоретические оценки существенно расходятся с экспериментом. Согласно моделям E_пр является характеристикой жидкости и не зависит от Т и Р, тогда как в эксперименте E_пр может изменяться в несколько раз при изменении температуры и давления. Столь явное расхождение требует учета других процессов, зависящих от внешних условий.

Появление моделей, связанных с зарождением в жидкости парогазовой фазы, позволило объяснить на качественном уровне ряд зависимостей. Критерии пробоя основаны на создании условий для появления пузырьков за счет кипения жидкости при протекании тока, либо за счет кавитации под действием электростатических или кулоновских сил. Принципиальными недостатками моделей являются несоответствие эксперименту расчетных зависимостей E_пр(t, P). Расчетная электрическая прочность оказывается одинаковой для импульсов любой длительности, что противоречит практике. Согласно экспериментальным данным E_пр(t) в микро- и субмикро-секундном диапазоне меняется как t ^-(1/3-1/5). Что касается давления, то в моделях зависимость Е(P)~P^1/2, что значительно расходится с экспериментом Е(P) ~ P ^(1/6-1/8).

Модель развития предпробивных процессов можно представить следующим образом. Под действием электрического поля на пузырьки, заранее существующие в жидкости, в них возникают ионизационные процессы (частичные разряды) после достижении на их размере падения напряжения U_p. После разряда поле в пузырьке уменьшается вследствие экранирования осевшими зарядами внешнего поля, что вызывает ослабление, либо прекращение ионизационных процессов. Действие электрического поля на осевший заряд приводит к движению стенки пузырька и его вытягиванию вдоль поля, а также к продвижению заряда вглубь жидкости со скоростью, определяемой подвижностью носителей заряда. При этом возможны две ситуации: поддержание разряда в виде “тлеющего разряда”, либо прекращение разряда. В первом случае на пузырьке поддерживается некоторое напряжение, по-видимому, соответствующее закону Пашена. В последнем случае напряжение на пузырьке растет, что ведет к повторному частичному разряду и движению в жидкости новой волны зарядов. Определяющий параметр - давление на стенку пузырька, обусловлен действием кулоновских сил на инжектированный заряд и ростом давления в пузырьке за счет нагрева газа в нем. Зажигание разряда в жидкости произойдет тогда, когда напряженность поля в жидкости, вблизи полюса пузырька, достигнет критического значения. Пробой произойдет после пересечения промежутка каналом разряда. Эта модель позволяет, полуколичественно, объяснить практически все экспериментальные зависимости: от давления, от температуры, от вязкости, от длительности воздействующего импульса (рис.9.5) и т.д.

Рис.9.5 Расчетная (пузырьковая модель) и эмпирическая зависимости предпробивного времени от напряженности поля

 

 

9.3. Электрический пробой твердых диэлектриков

В начало лекции

Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях.

 

Закономерности пробоя твердых диэлектриков

Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. X. Технологические процессы отделочных работ.
2. Адаптационные процессы, обусловленные тренировкой с отягощениями
3. Биохимические процессы при послеуборочном дозревании и хранении зерна.
4. Влияние мировых тенденций и направлений развития российской экономики на экономические процессы Республики Бурятия.
5. Внутренние (эндогенные) геологические процессы. Эффузивный магматизм (вулканизм)
6. Вопрос 19. Россия и транснациональные иммиграционные процессы
7. Вопрос 53. Интеграционные процессы в менеджменте.
8. Воспалительные процессы препуция жвачных животных
9. Вспомогательные процессы при производстве земляных работ
10. Геологические процессы и явления
11. Гидрогенизационные процессы.
12. Глава 16 Эгрегоры и вторжение в процессы формирования психики человека