Пробой диэлектриков 2 страница

Очень низкую электрическую прочность имеют инертные газы (неон, аргон и др.), а также пары натрия и ртути. Поэтому их широ­ко применяют в газоразрядных приборах, лампах дневного освеще­ния и т. п.

5.2.2. Пробой газов в неоднородном электрическом поле

В неоднородном электрическом поле общий вид зависимости электрической прочности газов от давления Р, расстояния между электродами h, произведения Ph (закон Пашена), частоты напряже­ния /и химического состава сохраняется таким же, что и в однород­ном электрическом поле. Отличие заключается в том, что в неодно­родном электрическом поле пробой газов наступает при более низком значении напряженности поля, и чем больше неоднород­ность поля, тем ниже электрическая прочность газов.

Выше отмечалось, в каких случаях образуется неоднородное электрическое поле. Добавим, что оно также возникает между шаро­выми электродами при h/r >1, между проводами, линейным прово­
дом и землей, на заостренных краях, заусенцах и т. п. На практике мы чаще встречаемся с не­однородным электрическим полем.

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коронный разряд (корона), яв­ляющийся неполным пробоем. Корона возни­кает при U_K, которое ниже, чем U_np (U_K < U_np), обычно вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических краях и т. п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого свечения и сопровождается харак­терным звуком (жужжанием или потрескивани­ем). С повышением напряжения коронный раз­ряд усиливается и далее переходит в искровой, а затем при достаточной мощности источника на­пряжения — в дуговой разряд.

В случае электродов типа стержень—плоскость, создающих резко неоднородное поле, U_np газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим — при отрицательной поляр­ности стержня (рис. 5.8). Объясняется это следующим. Как отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует на конце стержня коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея бблыиую (в тысячи раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный поло­жительный заряд, который по-разному влияет на величину U_np воз­душного промежутка. Если на электроде в виде стержня будет поло­жительный потенциал, то он усилится объемным положительным зарядом, что приведет к увеличению напряженности поля в меж­электродном пространстве, и пробой произойдет при более низком значении U_np. Если на стержне будет отрицательный потенциал, то­гда объемный положительный заряд уменьшит напряженность поля, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении U_nр. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты напряжения) различие между значениями U_np в зависимости от по­лярности стержня уменьшается. Величина U_np при пробое газа при высоких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в одно­родном поле) значительно ниже, чем U_np при постоянном напряже­нии или напряжении промышленной частоты.

Рис. 5.8. Зависимость пробивного напряжения U_nр воздуха от расстоя­ния h между электрода­ми (поле неоднородное)

В неоднородных полях с увеличением влажности воздуха про­бивное напряжение U_np возрастает. Это можно объяснить повышен­ной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение возрастает. Прибли­женно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза U_np при частоте 50 Гц возрастает на 10 %. Напря­жение поверхностного разряда U_p с увеличением влажности воздуха,
наоборот, снижается. Например, при повышении относительной влажности с 60 до 80—90 % у глазурированного керамического изо­лятора боченочного типа U_p (частота 50 Гц) снижается почти в два раза.

5.2.3. Пробой неоднородных диэлектриков

Выше был рассмотрен механизм пробоя и влияние различных факторов на электрическую прочность воздуха для случаев, когда воздух являлся единственным диэлектриком, заполнявшим межэлек­тродное пространство. Между тем используемые на практике ди­электрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых ди­электриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения, в жидких диэлектриках — газовые пузырьки, коллоидные частицы и вещества, образующие эмульсии и суспензии. Широко используют слоистые диэлектрики (гетинакс, текстолит, миканиты и др.). Поэтому большое практиче­ское значение имеет знание картины распределения вектора напря­женности электрического поля в многослойных диэлектриках в за­висимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств.

Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состоя­ниях: твердый диэлектрик — воздух, реже — твердый диэлектрик — жидкий диэлектрик, жидкий диэлектрик — воздух (газ). В таких кон­струкциях поверхность раздела диэлектрических сред может нахо­диться под любым углом к силовым линиям поля.

Рассмотрим два наиболее простых случая, когда поверхность раз­дела расположена параллельно силовым линиям поля (рис. 5.9, а) и перпендикулярно (см. рис. 5.9, б). В обоих случаях после внесения твердого диэлектрика в однородное поле поле в межэлектродном про­странстве становится неоднородным и пробой наступает при более низком напряжении. Различным будет и механизм пробоя. В первом случае возникнет поверхностный разряд — пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика. Во втором —

ч.

/ / / AV X / f Л/

! V H/V' ' 2 1

л

Рис. 5.9. Картина распределения линий вектора напряженности Е электрического поля в электроизоляционной конструкции, состоящей из твердого диэлектрика (/) и воздуха (2), для случаев, когда силовые линии поля направлены параллельно (а) и перпендику­лярно (б) относительно поверхности раздела диэлектриких сред

произойдет неполный пробой — пробой воздушного промежутка, рас­положенного между электродом и поверхностью твердого диэлек­трика.

Графическое представление картины электрического поля, изо­браженное на рис. 5.9, строго говоря, справедливо лишь для локаль­ных областей, лежащих вблизи поверхности раздела (по обе ее стороны) двух диэлектрических сред, например твердый диэлек­трик—воздух. Но именно напряженность поля этих локальных облас­тей и определяет величину U_r

В действительности же напряженность среднего макроскопического электрического поля Е в твердом диэлектрике (вдали от его поверхности) су­щественно отличается (см. формулу (2.8)) от напряженности внешнего элек­трического поля (в данном случае от напряженности поля в воздухе). На величину Е внутри твердого диэлектрика значительно влияют его диэлек­трическая проницаемость в и форма (см. формулы (2.12), (2.14), (2.15)). В частном случае можно считать, что Е внутри твердого диэлектрика будет в в раз меньше, чем Е в воздухе (также вдали от границы раздела).

Вектор напряженности электрического поля Е в каждой точке межэлектродного пространства можно условно разложить по отно­шению к границе раздела двух диэлектрических сред на нормальную составляющую Е_я и тангенциальную составляющую Е,. Вектор Е_я на­правлен перпендикулярно поверхности раздела, а вектор Е, — каса­тельно. Соответственно характеристики для одной диэлектрической среды будут е_1? Yi, 9„ h_l9 U_x и для другой — е₂, у₂, 9₂, h₂ U₂.

Поверхностный разряд в однородном электрическом поле

Если вектор Е направлен параллельно поверхности раздела двух диэлектрических сред (см. рис. 5.9, а), то в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела возникнут только тангенциальные составляющие в среде с е, — Е_и и в среде с е₂ — Е_2г. Нормальные со­ставляющие Е_1я и Е_2л будут равны нулю. В этом случае имеет место равенство

Е„ = Е₂,. (5.6)

Так как в рассматриваемом примере E_lr = Е,, а Е₂, = Е₂, то уравнение (5.6) можно записать в следующем виде:

Ei ⁼ Е₂.

Однако это равенство на практике из-за ряда причин никогда не наблюдается, и напряженность поля Е₂ в воздухе вблизи границы раздела с твердым и жидким диэлектриком всегда больше, чем Е^

Е₂ > Е,. (5.7)

В данном случае разрядное напряжение U_p зависит от значений е, y_s и 9 твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и распо­
ложения ее относительно силовых линий поля, формы и частоты приложенного напряжения, относительной влажности воздуха \|/_в, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и рас­стояния между ними.

Как отмечалось выше (см. 3.4.4), на поверхности твердого ди­электрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более (рис. 5.10). Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением сплошности и толщины пленки количество ионов возрастает.

Чем больше е и у₅ твердого диэлектрика, меньше краевой угол смачивания 9, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной при­месью, выше относительная влажность воздуха \|/_в (при \|/_в > 50 %) и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следо­вательно, больше в ней ионов. У стекол, кроме того, часть ионов щелочных металлов, являющихся структурными элементами стекла, переходит в адсорбированную влагу, увеличивая концентрацию заря­женных частиц (см. гл. 3.4.1). Ионы под действием электрического поля смещаются к электродам. Часть из них разряжается на электро­дах, а часть, не преодолев потенциальный барьер на границе диэлек­трик—металл, образуют объемные заряды. В результате неоднород­ность поля в межэлектродном пространстве возрастает и U_p снижается.

Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги являет­ся решающим фактором в нарушении однородности электрического по­ля, в результате чего разрядное напряжение U_p снижается.

Рис. 5.11. Распределение напряжения вдоль неосушенной поверхности стекла при напряжении, близком к разрядному

В переменном поле с каждым полупериодом напряжения ионы, не ус­певшие разрядиться на электродах, накапливаются в приэлектродных облас­тях. В результате образуются объемные положительный и отрицательный заряды, которые с каждым полупериодом увеличиваются. Однако рост объ­емных зарядов прекращается, когда устанавливается динамическое равнове-

N ~ 160 - 120 - 80 - 40 -

0 20 40 60 80

Рис. 5.10. Зависимость числа мономоле­кулярных слоев N на поверхности стекла от относительной влажности воздуха \|/_в
сие между количеством ионов, поступающих в объемные заряды и уходящих из них. Рост объемных зарядов возобновится, если увеличить приложенное напряжение. В полупериод, когда полярность электродов изменится и ста­нет такой же, как и знак соответствующих объемных зарядов, потенциал на электродах возрастет и станет выше, чем в середине межэлектродного про­странства (рис. 5.11). В результате поверхностный разряд произойдет при более низком напряжении.

На снижение U_p оказывают влияние и другие факторы. Известно (см. гл. 3.2), что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрица­тельные ионы и электроны. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой зарядов одного знака, а над ним, в воздухе — слой зарядов противоположного знака. Под действием прило­женного напряжения эти заряды вместе с ионами воды смещаются к проти­воположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных за­рядов.

На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияют не только удельная поверхностная электропроводность и краевой угол смачива­ния, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (f> 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэто­му электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, U_p снижается не­значительно.

У твердых высокогигроскопичных диэлектриков (неорганические стекла и материалы молекулярного строения с высокими значения­ми е и y_s и небольшим краевым углом смачивания (см. табл. 3.2) при относительной влажности воздуха \|/_в > 50 % на поверхности всегда образуется сплошная пленка адсорбированной из воздуха влаги про­тяженностью от электрода до электрода. В результате поверхностная электропроводность возрастает и U_p снижается.

На поверхности малогигроскопичных твердых диэлектриков, т. е. диэлектриков (низкие значения е и y_s и большой краевой угол смачи­вания), а также малопористых, с гладкой и чистой поверхностью, об­разуется прерывистая пленка влаги в форме сфероидов. Поэтому удельное поверхностное сопротивление p_s таких диэлектриков имеет высокое значение и мало зависит от влажности воздуха. Поскольку сфероиды воды включены последовательно с твердым диэлектриком, а величина е воды (е~ 81) существенно отличается от е твердых ди­электриков (е~2—10), то неоднородность поля усиливается. В ре­зультате происходит локальное повышение напряженности поля и возникают ионизационные процессы. Разрядное напряжение U_p при этом снижается, но не так сильно, как у высокогигроскопичных ди­электриков.

Таким образом, самое высокое U_p наблюдается при разряде вдоль поверхности твердых диэлектриков молекулярного строения непо­лярных (рис. 5.12). У диэлектриков полярных U_p ниже, чем у непо­лярных, и тем ниже, чем больше е и y_s твердого диэлектрика (см. рис. 5.12), и меньше его краевой угол смачивания (см. табл. 3.2). У диэлектриков ионного строения, которые содержат ионы щелоч­ных металлов и поэтому имеют более высокую удельную поверхно­стную электропроводность, U_p еще ниже, чем у диэлектриков моле­
кулярного строения полярных. Особенно значительно U_p снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлек­трика. В этом случае (см. с. 124) электрическое поле в межэлек­тродном пространстве становится еще более неоднородным, в ре­зультате разрядное напряжение снижается.

Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микро­зазоры, которые оказываются включенными последовательно с твер­дым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической прони­цаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неодно­родности поля и снижения U_p.

Из вышеизложенного вытекают три практических вывода.

Первый — радикальным и почти единственным методом повы­шения U_p изоляторов в реальных условиях, когда присутствие влаги в воздухе неизбежно, является удлинение пути смещения ионов по по­верхности (удлинение пути тока утечки) путем устройства ребер и юбок.

Второй — использование материалов с минимальной гигроско­пичностью, т. е. материалов с минимальной диэлектрической прони­цаемостью и удельной поверхностной электропроводностью и мак­симальным краевым углом смачивания (например, политетрафторэти­лен, кремнийорганическая резина).

ю"¹⁸ ю-¹⁶ ю-

у₅, См 121

Третий — недопустимость неплотного прилегания электродов к диэлектрику в электроизоляционных конструкциях, так как это ве­дет к существенному падению U_p (см. уравнения (5.14) и (5.15)). Эти дефекты устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких то- копроводящих прокладок или металлизацией поверхности диэлек­трика, соприкасающейся с электродом.

Рис. 5.12. Зависимость амплитудного разрядного напря­жения £/_р, кВ, вдоль поверхности твердых диэлектриков цилиндрической формы (d = 45 мм, h = 30 мм) при 50 Гц, \|/_в «60 %, Т = 20 °С от диэлектрической прони­цаемости е и удельной поверхностной электропроводно­сти у₅;

1 — ПТФЭ, 2 — ПЭ, 3 — ПС, 4 — ПММА, 5 — винипласт, 6 — гетинакс, 7 — древесина, 8 — воздушный промежуток; электроды плоскопараллельные с закругленными краями

Поверхностный разряд в резконеоднородном электрическом поле

Рассмотренный выше поверхностный разряд в однородном поле встре­чается редко. Однако его исследование дало возможность сделать несколько ценных общих выводов о физических закономерностях поверхностного раз­ряда и влиянии ряда факторов на механизм этого процесса.

Используемые на практике электроизоляционные конструкции с типич­ным расположением электродов, показанным на рис. 5.13, образуют неодно­родные поля и представляют собой соответственно опорный (а) и проходной (б) изоляторы. Одним из основных требований, предъявляемых к этим кон­струкциям, — недопустимость возникновения поверхностного разряда. Раз­личие этих конструкций друг от друга заключается прежде всего в располо­жении поверхности раздела между твердым диэлектриком и воздухом относительно силовых линий поля. В опорном изоляторе (см. рис. 5.13, а) во всех точках поверхности твердого диэлектрика тангенциальная состав­ляющая Е, значительно преобладает над нормальной составляющей Е_я. В случае проходного изолятора (см. рис. 5.13, б), наоборот, Е„ у поверхности твердого диэлектрика больше Е,. Поэтому, как считает немецкий ученый М. Теплер, ионы под действием Е„ «прижимаются» к поверхности твердого диэлектрика и движутся вдоль нее с трением, вызывая местный нагрев по­верхности, создавая тем самым дополнительную ионизацию воздуха, кото­рая и облегчает разряд. Кроме того, канал разряда, развивающегося по по­верхности, имеет значительно большую емкость относительно другого (короткого) электрода и больший ток, чем у опорного изолятора, что суще­ственно влияет на разрядное напряжение. В конструкциях изоляторов, представленных на рис. 5.13, поле неоднородное. Особенно оно резконеод- нородное в случае проходного изолятора, поэтому у него U_p при прочих равных условиях ниже, чем у опорного изолятора.

В неоднородном поле процессы, вызванные пленкой влаги, адсорбированной на поверхности твердого диэлектрика, не могут существенно увеличить уже имеющуюся неоднородность электрического поля. Разрядное напряжение U_p в неоднородном поле как с твердым диэлектриком в воздушном промежутке ме­жду электродами, так и без него значительно ниже, чем в однородном поле, и тем ниже, чем больше неоднородность электрического поля.

Рис. 5.13. Типичные картины электрического поля в электроизоляционных конструк­циях (твердый диэлектрик — воздух) с неоднородными полями: а — во всех точках по­верхности твердого диэлектрика Е, > Е_п (опорный изолятор); б — во всех точках повер­хности твердого диэлектрика Е_п > E_t (проходной изолятор)

Е

Е,

В случае резконеоднородного электрического поля (см. рис. 5.13, б) вы­деляются следующие фазы развития поверхностного разряда: вначале на ко­ротком электроде (обычно он имеет вид фланца) возникает свечение в виде короны. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя прорыва­
ются неустойчивые искровые разряды в виде стримеров, длина которых быст­ро растет с увеличением напряжения. Затем появляются отдельные скользя­щие разряды, представляющие собой неполный поверхностный пробой. Завершается процесс полным поверхностным перекрытием.

Напряжение перекрытия U_p тем ниже, чем больше ток в канале разряда, т. е. выше проводимость этого канала. Величина тока, в свою очередь, опре­деляется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость канала разряда и, следовательно, больше в нем ток, тем ниже разрядное напряжение и длиннее скользящие разряды. В качестве величины, характеризующей емкость канала разряда, обычно используют удельную поверхностную емкость С_п диэлектрика, по по­верхности которого произошел поверхностный разряд.

Напряжение начала скользящих зарядов U_CK и напряжение полного пе­рекрытия U_p можно определить с помощью эмпирических формул, позво­ляющих приближенно оценить величину указанных напряжений.

Напряжение кВэф полного поверхностного разряда в переменном поле (50 Гц) при сравнительно малом значении нормальной составляющей на­пряженности электрического поля Е_п (опорный фарфоровый изолятор стан­дартной формы) можно определить по формулам:

U_p= 20 + 3,35/ при 10 < / < 200 см;

U_p = 7,3/ - 0,2/² при 0 < / < 10 см, (5.8)

где / — длина разрядного промежутка, см.

По М. Теплеру, при переменном напряжении (50 Гц) и наличии нор­мальной составляющей напряженности электрического поля Е_п скользящие заряды по поверхности плоского диэлектрика или полого цилиндра большо­го диаметра образуются при напряжении, кВ_эф:

1,36 _4

^UCK _ro,45 ' ^{К У}'

п

где С_п — удельная поверхностная емкость, Ф/см².

В зависимости от конфигурации твердого диэлектрика С_п рассчитывают по следующим формулам:

— для диэлектрика плоской формы

_Сп=М6₍₅₁₀₎

где в — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика; h — толщина диэлектрика, см;

— для диэлектрика в виде полого цилиндра (проходной изолятор)

С 2-8,86-10-".в ^п 5 D \n(D/d) '

где d и D — внутренний и наружный диаметры полого цилиндрического изолятора, см; С — общая емкость образца (С= 2кг₀г1/ In(D /d)), Ф; S — площадь боковой поверхности, по которой распространяется разряд (S = k DI), см².

Загрязнение сухой поверхности изолятора мало влияет на его удельную поверхностную электропроводность и поэтому не оказывает существенного влияния на U_p. При мокрой поверхности изолятора (под дождем) разрядное напряжение при 50 Гц примерно вдвое ниже, чем при сухой. В еще большей степени Щ снижается при увлажнении поверхности изолятора, загрязнен­ной ионогенной примесью. Увлажнение слоя загрязнения, например росой или дождем, приводит к резкому увеличению удельной поверхностной элек­тропроводности в результате образования слабого раствора электролита из воды и ионогенной примеси. Механизм развития разряда при этом качест­венно меняется, а величина U_p значительно снижается. В зависимости от ха­рактера и интенсивности загрязнения мокроразрядные напряжения могут составлять 50—25 % от сухоразрядных.

Скользящие искровые разряды и особенно дуговой разряд, имея высо­кую температуру канала (несколько тысяч градусов), обжигают поверхность диэлектрика, оставляя на ней, после снятия напряжения, след — трек. Осо­бенно опасен такой разряд для органических диэлектриков. Трек имеет бо­лее высокую проводимость и поэтому вызывает резкое снижение U_p при по­вторной подаче напряжения даже в случае сухой поверхности твердого диэлектрика. Поэтому при выборе материала для изготовления изоляторов нужно учитывать его трекингостойкость, т. е. стойкость к действию скользя­щих разрядов.

Коронный разряд также повреждает поверхность твердого диэлектрика при длительном воздействии (окисление, разрушение). При этом могут кор­родировать и металлические части (электроды) электроизоляционных кон­струкций.

Пробой двухслойного диэлектрика

Если вектор Е направлен перпендикулярно поверхности раздела двух диэлектрических сред с е_ь у,, и е₂, Ъ (^см- Р^ис- 5.9, б), имеющих малые диэлектрические потери, то для переменного напряжения рас­пределение напряженности поля между этими диэлектрическими средами будет обусловлено значениями их е, и е₂. В этом случае в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела образуют­ся лишь нормальные составляющие: в среде с е, — Е,„ и в среде с е₂ - Е_2/7. Тангенциальные составляющие Е_1г и Е_2/ будут равны нулю. При этом имеет место равенство

Е_2п/Е_хп = г_х/г₂. (5.12)

Так как в данном случае нормальные составляющие Е_1я и Е_2л сов­падают соответственно с векторами Е, и Е₂ по направлению и равны им по величине, то уравнение (5.12) можно записать в следующем виде:

Е₂/Е_х = г_х/г₂. (5.13)

Из уравнения (5.13) следует, что чем больше диэлектрическая проницаемость е твердого диэлектрика, тем выше напряженность Е₂ поля в воздушной среде.

Поскольку U= U_x + U₂ = U_x [1 + (е,/г₂ / e₂h_x)}, a h = h_x + h₂, то, ис­пользуя формулу (5.13), получим величину напряженности электри­ческого поля Е₂ (В/м), для среды с е₂ (воздух) и Е_х для среды с е, (твердый диэлектрик):

E₂ =U---- ^-----, Е_х =U---- ^------, (5.14)

z_xh₂ + г₂к_х e_xh₂ +e₂h_x

где U — приложенное напряжение, В; е, и е₂ — диэлектрическая про­ницаемость твердого диэлектрика и воздуха соответственно; h_x и h₂ — толщина твердого диэлектрика и прослойки воздуха соответст­венно, м.

При постоянном напряжении по истечении времени, достаточного для завершения поляризации, напряженность поля в каждой среде будет равна:

Е₂ =U--- ^-----, Е_х =U----- ^------,... (5.15)

y_xh₂+y₂h_x y_xh₂+y₂h_x

где у, и у₂ - удельная электропроводность твердого диэлектрика и воздуха соответственно, См/м.

Уравнения (5.14) и (5.15) взаимосвязаны, так как между значениями в и у (или р) имеется определенная зависимость (см. рис. 3.10).

В случае когда имеем бесконечно тонкую воздушную прослойку между электродом и твердым диэлектриком, т. е. когда А₂ ^ А_ь а А, «~А, уравнение (5.14) упрощается, и Е₂ становится равным

Е₂=-^ = ЕХ (5.16)

А е₂ е₂

На практике наличие воздушной прослойки между поверхностью твердого диэлектрика и электродом оказывает большое влияние на t/_HOM и нормальный режим работы диэлектрической конструкции.

В качестве примера рассмотрим случай, когда между двумя плоско­параллельными электродами с закругленными краями находится двухслой­ный диэлектрик — фарфоровый цилиндр и воздушная прослойка, при этом поверхность раздела расположена перпендикулярно силовым линиям поля (см. рис. 5.9, б). Зададим следующие значения: напряжение, приложенное к электродам, U =40 кВ; расстояние между электродами h = 2 см; фарфор имеет 8j = 6 и воздух е₂ = 1. Найдем величину напряженности электрическо­го поля Е₂ воздушной прослойки для случаев, когда:

1) высота фарфорового цилиндра h_x = 1,5 см и соответственно толщина воздушной прослойки h₂ = 0,5 см;

2) толщина воздушной прослойки бесконечно мала h₂ ~ 0 и, следова­тельно, h_x ~ h.

Для первого случая в соответствии с (5.14) имеем Е_ъ кВ/см:

Е₂ = 40------------- = 53,3;

² 6 0,5 + 1 1,5

для второго случая, согласно (5.16) Е_ъ кВ/см, составляет

² 21

Напряженность однородного электрического поля Е₂, кВ/см, в межэлек­тродном пространстве в отсутствие фарфорового цилиндра равна

Е₂ = 40/2 = 20.

Из приведенного примера видно, что в последнем случае, когда фарфо­ровый цилиндр отсутствует в межэлектродном пространстве, электрических разрядов нет, и, следовательно, электроизоляционная конструкция работает в нормальном режиме. Объясняется это тем, что Е₂ = 20 кВ/см, т. е. меньше электрической прочности Е_пр воздуха (Е_пр воздуха равна 32 кВ/см). В первом и особенно во втором случаях поле в межэлектродном пространстве стано­вится резконеоднородным. В воздушных прослойках напряженность поля Е₂ становится существенно выше, чем Е_пр воздуха, поэтому возникают электри­ческие разряды и, следовательно, нарушается нормальный режим работы электроизоляционной конструкции. Образующиеся при электрических раз­рядах озон и окислы азота оказывают разрушающее действие на диэлектрик, особенно органический, а при длительном воздействии — на электроды и другие металлические детали, вызывая их коррозию.

Дата добавления: 2015-08-09