Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

В очищенных жидкостях в основе механизма пробоя лежат три 'фактора: 1) ударная ионизация электронами и образование простран­ ственного заряда в жидкости; 2) эмиссия электронов с поверхности катода; 3) образование пузырьков газа в жидком диэлектрике, кото­ рые деформируются в поле и способствуют полному пробою.

Образование газовых пузырьков может иметь место как за счет разложения углеводородов жидкого диэлектрика, так и за счет вски­ пания жидкости под воздействием выделяемой энергии («тепловая» теория). Для тонких масляных пленок при их толщине, соизмеримой •с длиной лавины электронов в масле (порядка долей миллиметра), первые два фактора являются определяющими.

Рассмотрим развитие пробоя жидкого диэлектрика вследствие удар­ ной ионизации электронами. Для развития процессов ионизации в жидком диэлектрике большую роль играет образование положитель­ ного объемного заряда у катода, вызывающего увеличение плотности тока эмиссии. Этому способствует высокая напряженность электри­ ческого поля во всем межэлектродном промежутке и особенно вблизи катода, величина которой намного превосходит соответствующие значения для разряда в газах, достигая 1000 квІсм и более. Для авто­ электронной эмиссии зависимость плотности электронного тока у ка­ тода /к от напряженности поля у катода Ек подчиняется выражению (6.16). При достаточно высокой Ек в жидком диэлектрике в однородном поле может возникнуть нестационарный режим: увеличение поло­ жительного объемного заряда у катода приводит к весьма быстрому нарастанию тока автоэлектронной эмиссии с поверхности катода, что в свою очередь увеличивает плотность объемного заряда и т. д. В ре­ зультате возникают условия для неограниченного увеличения плот­ ности тока и пробой жидкого диэлектрика.

Рассмотрим образование такого нестационарного режима для ма­ лых межэлектродных промежутков. Для упрощения будем считать, что плотность тока эмиссии одинакова по всей поверхности катода. Влияние прилипания электронов к молекулам на развитие разряда при небольшом расстоянии между электродами мало и можно прене­ бречь отрицательными ионами как в выражении для плотности тока, так и при рассмотрении искажения поля объемными зарядами. Плот­ ность электронного тока на расстоянии х от катода с учетом искажения

114

На основании (6.32) плотность отрицательного объемного заряда.

Учитывая (6.33) и (6.34), определяем плотность положительногообъемного заряда:

В рассматриваемом случае принимаем, что искажение поля объем­ ными зарядами происходит только в направлении электрическогополя по. оси х. На основании закона Пуассона

Для качественной оценки явления сделаем предположение, что увеличение поля АЕ за счет объемных зарядов значительно меньше средней напряженности Дср:

ударной ионизации а, выражение (6.42) после преобразований при­ нимает вид

Как по (6.45), так и по (6.46) напряженность поля у катода Ек растет линейно с ростом /к. В установившемся режиме величины

115

j K и Ек должны удовлетворять как выражению (6.16), так и выра­ жению (6.45) или (6.46).

Наглядно это можно представить графически в координатных

Изложенная теория пробоя жид­ ких диэлектриков на основе ударной ионизации электронами дает достаточ­ но хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений пробив­ ных напряженностей для малых межзлектродных промежутков в чистых жидкостях.

в. Механизм пробоя больших промежутков в жидкости

В первой стадии развития про­ боя определяющее значение имеет автоэлектронная эмиссия. Она воз­ никает либо с катода при развитии

разряда с отрицательного электрода, либо с поверхности частичек примесей у анода при развитии разряда с положительного электрода., Меньшая работа выхода электронов с поверхности катода в первом случае приводит к тому, что начальные лавины электронов возникают у катода при меньших напряженностях электрического поля, чем у анода. Дальнейшее прорастание канала разряда в длинных искровых промежутках чаще всего происходит со стороны положительного элек­ трода и обеспечивается главным образом за счет процессов ударной ионизации и фотоионизацни в слое жидкости, прилегающем к стенкам канала разряда.

Перед пробоем в межэлектродном промежутке происходят местные разряды типа стримеров, вызывающие импульсы тока в цепи. В люминесцирующих жидкостях импульсы тока сопровождаются вспышками света. Эти разряды развиваются в различных направлениях вдоль силовых линий поля, созданного объемным зарядом, сосредоточенным в канале продвигающегося разряда. Каждый местный разряд образует новый участок канала, заполненный ионизированным газом. Когда одна из ветвей прорастающего таким образом канала достигает про­ тивоположного электрода, происходит пробой промежутка.

При большом расстоянии между электродами в жидкости, как и в газе, образование разрядного канала производится стримерами и ли­ дерами, идущими от анода. Пробои происходят тогда, когда один из лидеров достигает противоположного электрода. Скорость продви­ жения лидера в неполярных диэлектриках (трансформаторное масло) составляет примерно 1000 см/сек. Свечение канала лидера имеет пре-

116

рывистый характер. Каждой вспышке соответствуют импульсы тока с амплитудой около 0,1 а в неполярных и около 5 а в полярных жид­ костях (рис. 6.18, а и б). Под воздействием лавин в жидкости образу­ ются пузырьки, удлиненные по направлению к аноду, состоящие из ионизированных газов, возникающих вследствие разложения молекул жидкости под воздействием заряженных частиц. Серия последовательно развивающихся лавин, сдвинутых в пространстве и времени, образует канал,-заполненный ионизированным газом.

Рис. 6.18. Фоторазвертки и осциллограммы тока I и напряжения U разрядов в масле (а, 6) и схема развития лидера (а):

сопротивление в разрядном контуре 10е ом (а) и 104 ом (б); л — лидер­ ная фаза; п — повторные пробои; о — дуга; п. о — повторные пробои и обрыв дуги

Толчкообразность развития канала лидера обусловливается осо­ бенностями образования объемного заряда перед головкой лидера. Объемный заряд, имеющий полярность электрода, с которого разви­ вается лидер, снижает напряженность поля на головке лидера в точке А (рис. 6.18, в), что приводит к прекращению ионизационных процес­ сов вблизи точки А и остановке лидера. Дальнейшее развитие лидера происходит при повышении напряженности на его головке (точка А) как за счет смещения объемного заряда от головки лидера в направле­ нии противоположного электрода, так и за счет его нейтрализации подтекающими электронами. Это сопровождается протеканием тока через лидерный канал и вспышкой свечения по всей его длине.

Картина развития пробоя в сильнонеоднородном поле в основных чертах одинакова при положительной и отрицательной полярностях

117

электрода с большей кривизной поверхности. Величина пробивногонапряжения (импульсного и постоянного) значительно больше при отрицательной полярности, чем при положительной.

ГЛАВА VII. ФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА В ТВЕРДЫХ II КОМБИНИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

§ 7.1. ПРОВОДИМОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ в си льн ы х ПОЛЯХ а. Ионная проводимость твердых диэлектриков

Физическая природа ионной проводимости в твердых диэлектриках в основном такая же, как в жидких диэлектриках (см. § 6.2), но обла­ дает некоторыми специфическими особенностями.

В твердом теле с кристаллической структурой возможны следующие состояния ионов: 1) ион находится в узле кристаллической решетки,, при этом энергия иона равна 2) ион находится в междуузлин в полуустойчнвом состоянии, при этом энергия иона W£>WX\ 3) ион отсут­ ствует, т. е. имеется свободный узел решетки.

Полуустойчнвые состояния ионов в твердом теле объясняются воз­ можными нарушениями кристаллической решетки, а также наличием примесей. Ион в междуузлин находится в более свободном состоянии, так как потенциальный барьер между двумя положениями в междуузлии меньше, чем потенциальный барьер между узлами кристалли­ ческой решетки.

Обозначим через Wa потенциальный барьер, разделяющий два соседних положения иона в междуузлин. Тогда по аналогии с (6.6)

Эффективная подвижность ионов с учетом вероятности перехода

В ряде случаев в проводимости твердого диэлектрика участвуют ионы разного рода. При этом ионная проводимость определяется суммой соответствующих составляющих:

Так же как и для жидких диэлектриков, ионная проводимость прак­ тически не зависит от напряженности вплоть до предпробивных полей.

118

б. Электронная проводимость твердых диэлектриков

Электрон может существовать только в определенных дискретных состояниях, которые называют энергетическими уровнями. Переход •с одного энергетического уровня W2 на другой W1 связан с испуска­ нием (если W2>~Wi) или поглощением (если 1F2< Wх) энергии в виде ■световых колебаний, частота которых ѵ определяется из равенства

W3— W!= Лѵ.

Электрон в изолированном атоме, обладающий полной энергией Wt (рис. 7.1, а), находится на расстоянии г ^ .г макс от центра ядра. При этом г — гшкс, если энергия WKэлектрона равна нулю (потенци-

Рис. 7.1. График энергии электрона в изолированном атоме (а) и в одно­ мерной цепочке атомов (б)

альная энергия электрона внутри атома отрицательна). Для того чтобы электрон, находившийся на уровне Wг, мог выйти за пределы атома, ему должна быть сообщена энергия А I WM (Wi<l 0). Для кри­ сталла как полная энергия каждого из электронов, так и его потен­ циальная энергия будут обусловлены всеми атомами решетки. В этом случае потенциальная энергия системы является периодической функ­ цией координат с периодом, равным расстоянию а между узлами ре­ шетки (рис. 7.1, б). Если электрон с полной энергией Wx не может вый­ ти за пределы изолированного атома,то в кристалле он может переме­ щаться вдоль координаты х. Одинаковые прежде уровни энергии вслед­ ствие разницы во взаимодействии каждого из электронов со всеми ча­ стицами системы оказываются несколько различными. В этом случае для всей системы по-прежнему должен быть удовлетворен принцип Паули, т. е. на каждом уровне должно быть не более двух электронов (с разными спинами).

Если в кристалле число атомов равно г, то в системе каждый уро­ вень расщепляется на z близких, но несколько различных уровней (рис. 7.2), причем для одномерной модели кристалла длиной L имеем z —Ыа. Таким образом, каждый уровень превращается в зону уровней. Вне зависимости от размеров кристалла L и числа элементарных уров­ ней в зоне для каждой зоны постоянными остаются ее ширина Д№ \=

— И71макс— и смещение среднего уровня зоны относительно уровня изолированного атома ах, а также высота запрещенного участ­ ка W6 между верхним уровнем нижней зоны и нижним уровнем верх­ ней зоны. Обычно верхняя зона АЙ7Ь на которую распался верхний уровень, называется зоной проводимости. Электрон, находясь в пре-

119