Механизм нарушения электрической изоляции
Вещество будет являться изолятором (диэлектриком), а материал называться изоляционным, если при размещении его между электродами и приложении к электродам разности электрических потенциалов через него не протекает электрический ток, или он очень мал (10~19—10~16 А). Электрический ток не протекает из-за отсутствия в диэлектрике (в отличие от металлов) свободных электронов. Все электроны в диэлектрике сильно связаны с ядрами его атомов (молекул). Для разрыва этой связи нужна большая энергия. Если в диэлектрике появится свободный электрон, например, под действием космического излучения, то, двигаясь в сильном электрическом поле до соударения с атомом, он может набрать достаточную для его ионизации энергию с образованием еще одного электрона.
На электроны действует именно электрическое поле, поэтому главным фактором, определяющим развитие разряда в промежутке, является напряжённость электрического поля, а не напряжение на промежутке. Средняя напряжённость электрического поля в промежутке — это частное от деления напряжения на промежутке на расстояние между электродами. В реальных конструкциях высокого напряжения распределение электрического поля вдоль промежутка существенно неравномерно. Максимальная напряжённость электрического поля (вблизи поверхности электрода с наименьшим радиусом кривизны) может значительно превышать среднюю напряжённость.
Именно в области максимальной напряжённости поля формируется лавина электронов. При выполнении условия её перехода в разряд с высокой электрической проводимостью канала происходит полный пробой промежутка.
Собственно, исследование механизмов и разработка способов, затрудняющих образование лавины электронов и переход ее в полный пробой промежутка, и есть предмет техники высоких напряжений в части обеспечения электрической прочности изоляции оборудования и линий электропередачи. Эти исследования привели к появлению всех используемых сегодня видов изоляции.
Из всех видов диэлектриков самым доступным и дешевым является атмосферный воздух. Но он же обладает наименьшей электрической прочностью.
Радикальный путь затруднения развития лавины — повышение давления газа и пропорционального уменьшения длины свободного пробега электрона. Пропорционально будет увеличиваться и напряжение между электродами (соответственно напряженность электрического поля в промежутке), необходимое для набора электроном достаточной для ионизации энергии. Поэтому в современных воздушных выключателях высокого напряжения давление воздуха достигает 4,0 и более 6,0 МПа.
Наоборот, удаление газа из электрического аппарата (вакуумирование) приводит к тому, что даже появившийся начальный электрон на своем пути от электрода к электроду не встречает молекул газа, которые он мог бы ионизировать и начать образовывать лавину электронов. Отсюда появилась идея вакуумной изоляции — основы современных вакуумных выключателей, разрядников, ускорителей элементарных частиц.
Принципиально другой путь препятствия развитию лавины электронов — «связать» уже возникший начальный электрон, т.е. захватить его молекулой при первом же столкновении с ней. Этот путь реализуется использованием в качестве газовой изоляции так называемых электроотрицательных (захватывающих отрицательно заряженные электроны) газов. Наибольшее распространение для этой цели получил элегаз (сокращенно от «электрический газ») — шестифтористая сера (8Е6). Его электроотрицательные свойства настолько высоки, что там, где для обеспечения необходимой электрической прочности давление воздуха должно быть 4,0 МПа, достаточно давление элегаза в 0,5—0,6 МПа, что резко упрощает конструкцию аппаратов. Элегаз обладает и целым рядом других преимуществ — химическая инертность, устойчивость к электрическим разрядам, блестящими дугогасящими и хорошими теплоотводящими свойствами, низкой температурой сжижения перед другими, даже более электроотрицательными газами. Это позволяет заменять открытые распределительные устройства (ОРУ) на комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) или заменять воздушные линии электропередачи на элегазо- вые кабели высокого напряжения. Их габариты при этом уменьшаются на порядки.
К сожалению, технико-экономические характеристики КРУЭ и силовых кабелей, в основном стоимость, оказываются все еще в большинстве случаев (кроме их использования в крупных городах и в некоторых специальных ситуациях) неконкурентоспособными по сравнению с ОРУ.
Предельный случай уменьшения длины свободного пробега электрона — переход к жидким и твердым диэлектрикам. Идеальная — «внутренняя» — электрическая прочность этих диэлектриков очень высока — десятки миллионов вольт на 1 см. Поэтому внутренняя изоляция силовых трансформаторов, кабелей, измерительных трансформаторов тока и напряжения сегодня выполняется на основе жидких или твердых диэлектриков или их комбинации.
К сожалению, «внутренняя» электрическая прочность чистых жидких и твердых диэлектриков недостижима в реальных условиях из-за наличия в объеме диэлектриков и на поверхности электродов микродефектов — газовых и проводящих микровключений, влаги, шероховатостей на поверхности электродов. Это приводит к началу развития лавин электронов при напряженностях электрического поля в 100—500 кВ/см.
Разбиение жидкой и твердой изоляции на тонкие слои уменьшает размер дефектов и вероятность их совпадения. Поэтому реальная изоляция изготавливается из тонких слоёв бумаги или плёнок синтетических материалов, пропитываемых трансформаторным или конденсаторным маслом, синтетическими жидкостями, элегазом под высоким давлением. Чаще
Рис. 15.1. Зависимость времени пробоя / от приложенного напряжения 6гп|) для образцов ((а) и многослойной (б) пленочной изоляцией
Рис. 15.2. Зависимость времени пробоя / от приложенного напряжения 6гп|> для образцов из полиэтилена в воздухе (а) и пропитанного минеральным маслом (б)
всего используется бумажно-масляная изоляция, как наиболее дешевая. Синтетические жидкости или элегаз применяются, в основном, при требовании обеспечить негорючесть изоляции. Эффективность разделения изоляции на тонкие слои и её пропитки иллюстрируется на рис. 15.1 и 15.2.
Если по условиям отвода тепла от токоведущих частей оборудования требуется наличие больших по ширине (до нескольких сантиметров) каналов для циркуляции охлаждающей жидкости, в которых лавина может развиваться и даже переходить в канал разряда, то на пути развития канала ставят барьер из высокопрочного диэлектрика. Такая изоляция называется маслобарьерной.
