Содержание к диссертации
Введение
1. Барьерный эффект в диэлектриках 10
2. Влияние степени однородности внешнего электрического поля и электрофизических характеристик материала барьера на барьерный эффект 28
2.1. Барьерный эффект в резконеоднородном электрическом поле 28
2.2. Влияние барьеров на пробой трехслойных диэлектрических систем в коаксиальной системе электродов 53
2.3. Влияние барьеров на пробой многослойных диэлектриков в квазиоднородном поле 61
3. Влияние различных факторов на поведение неоднородных диэлектриков в электрическом поле 70
3.1. Влияние объемного заряда 70
3.2. Влияние удлинения разрядного канала и увеличения времени его развития вдоль границы раздела слоев трехслойного диэлектрика 81
3.3. Влияние неоднородной поляризации 104
3.3.1 Модель для расчета параметров спектров диэлектрической релаксации 104
3.3.2 Диэлектрическая дисперсия в изоляционных материалах и многослойных диэлектриках в слабом электрическом поле 113
3.3.3 Исследование диэлектрической проницаемости и tgS неоднородных диэлектриков в сильном поле 128
3.4. Исследование влияния предварительной поляризации барьера на пробивное напряжение воздушного промежутка 146
4. Обобщенный феноменологический подход к барьерному эффекту в диэлектриках 158
4.1. Резконеоднородное поле 158
4.2. Коаксиальная система электродов 168
5. Разработка и исследование новых композиционных материалов с заданными характеристиками и их применение в высоко вольтных изоляционных конструкциях 180
5.1. Композиционные диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью 181
5.2. Композиционные диэлектрические материалы с нелинейной вольт-амперной характеристикой 192
Заключение 205
Список использованных источников 206
Приложение 221
- Влияние барьеров на пробой трехслойных диэлектрических систем в коаксиальной системе электродов
- Диэлектрическая дисперсия в изоляционных материалах и многослойных диэлектриках в слабом электрическом поле
- Исследование влияния предварительной поляризации барьера на пробивное напряжение воздушного промежутка
- Композиционные диэлектрические материалы с нелинейной вольт-амперной характеристикой
Введение к работе
Актуальность темы Изучение поведения неоднородных твердых диэлектриков в сильном электрическом поле связано с тем, что в отличие от изотропных диэлектрических материалов наличие макроскопических неоднородностеи в виде границ раздела между компонентами изоляционной конструкции может приводить к возникновению локальных очагов усиления электрического поля. Перераспределение внутреннего электрического поля в неоднородных диэлектриках может быть обусловлено процессами неоднородной по объему поляризации, накоплением объемного заряда за счет наличия макроскопических границ раздела между материалами с различными электрофизическими характеристиками, механических напряжений вблизи макроскопических неоднородностеи и т.п. Локальное усиление электрического поля может приводить к интенсивному старению и пробою изоляции высоковольтных конструкций. Простейшими случаями макроскопически неоднородных диэлектриков являются изоляционные системы, в которых применяется комбинация двух или нескольких диэлектриков (например, бумажно-масляная, или бумажно-пленочная изоляция). Регулирование распределения электрического поля в таких неоднородных диэлектриках позволяет в ряде случаев существенно повысить их эксплуатационные характеристики.
Типичным примером многослойной высоковольтной изоляции, иллюстрирующим возможность повышения эксплуатационных характеристик путем регулирования электрофизических характеристик диэлектрических материалов, является так называемая барьерная изоляция. В этом случае помещение дополнительного слоя (барьера) в основную изоляцию позволяет увеличивать величину пробивного напряжения, или время до пробоя изоляционного промежутка. Барьерный эффект известен более 75 лет и широко используется в технике высоких напряжений для повышения пробивного напряжения изоляционных промежутков в резконеоднородном внешнем поле. Однако отсутствие достоверной модели барьерного эффекта, пригодной для широкого круга экспериментальных условий, не позволяет грамотно подходить к проектированию высоковольтной изоляции с барьером. Существующие модели не дают полной картины барьерного эффекта и не описывают физики этого интереснейшего физического явления, что ограничивает возможности его применения в электрофизике и электротехнике. До недавнего времени в качестве барьерных материалов использовались бумага, картон, слюда и полимерные пленки. Однако многочисленные исследования барьерного эффекта показали, что применение этих материалов не позволяет добиться существенного повышения пробивного напряжения изоляционных конструкций в условиях слабонеоднородного внешнего электрического поля. Кроме того, применение этих материалов часто ограничивается технологией изготовления того или иного вида электротехнических изделий, например, высоковольтных кабелей с экструдированной изоляцией.
Ограниченная номенклатура природных и полимерных диэлектриков приводит к необходимости разработки новых композиционных материалов (КПМ) путем использования наполнителей со специфическими свойствами. В последние годы широкое применение в качестве КПМ с заданными свойствами находят полимерные композиции, наполненные мелкодисперсными наполнителями. В качестве наполнителей используются ультрадисперсные металлические порошковые материалы, сажа, тальк, каолин, карбиды кремния и бора, а также активные диэлектрические материалы, например, сегнетоэлектрические многокомпонентные керамические соединения.
Применение новых КПМ с заданными электрофизическими характеристиками для регулирования электрического поля в высоковольтной изоляции представляется достаточно перспективным с точки зрения повышения надежности работы высоковольтных конструкций и снижения их массогабаритных характеристик. В этой связи исследование поведения неоднородных диэлектриков в сильном электрическом поле представляет несомненный интерес как в плане дальнейшего изучения физики электрического старения и пробоя таких диэлектриков, так и в плане целенаправленного регулирования их электрофизических характеристик с целью повышения надежности работы высоковольтной электрической изоляции.
Цель работы и задачи исследования Основной целью диссертационной рабо- ты является изучение физики барьерного эффекта в макроскопически неоднородных диэлектриках и разработка основных рекомендаций его использованию в высоковольтной изоляции реальных электротехнических и электрофизических устройств.
Для достижения поставленной цели в работе проведены комплексные исследования, в которых основное внимание уделено решению следующих задач:
1. Определение влияния на пробивное напряжение, время до пробоя и время до зарождения дендритов следующих факторов: степень неоднородности внешнего электрического поля; положение барьера в промежутке; соотношение диэлектрической проницаемости ц/ = ZelZd и проводимости \у' = У б /Уд барьерного и изоляционного материалов; объемный заряд; увеличение времени развития (или длины) разрядного канала и искривления его траектории за счет наличия тангенциальной составляющей вектора напряженности поля на границах раздела слоев; неоднородная поляризация, возникающая за счет резкого изменения диэлектрической проницаемости и/или проводимости на границах раздела слоев.
Разработка феноменологического подхода и принципа расчета оптимального положения барьерного слоя в изоляционных промежутках.
Разработка новых композиционных материалов с заданными электрофизическими характеристиками для регулирования распределения электрического поля в высоковольтных конструкциях и исследование основных электрофизических характеристик этих материалов в слабом и сильном электрическом поле.
Разработка практических рекомендаций по применению барьерного эффекта и новых композиционных материалов для регулирования распределения электрического поля в высоковольтной изоляции.
Разработка, изготовление и испытание опытных образцов реальных высоковольтных конструкций с барьерной изоляцией.
Перечисленные выше задачи решались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных исследований, проводившихся по плану научно-
4» исследовательских работ НИИ высоких напряжений при Томском политехни- ческом университете (НИИ ВН при ТПУ, г.Томск) и НИИ кабельной промышленности (НИКИ, г.Томск), в рамках Программы Минобразования РФ "Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук. Университеты России" и грантов программы "NATO Fellowship Programme".
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту
1.В резконеоднородном поле наличие барьера с высокой диэлектрической проницаемостью приводит к повышению времени до зарождения каналов неполного пробоя почти на порядок, причем этот эффект зависит не только от положения барьера в промежутке, но и от соотношения диэлектрических проницаемостей и проводимостей барьерного и основного диэлектрических материалов.
Наличие объемного заряда и удлинение траектории разрядного канала в макроскопически неоднородных диэлектриках с барьером не является единственным и достаточным условием существования барьерного эффекта. Одной из основных причин существования барьерного эффекта является неоднородная по объему поляризация.
Общность явления барьерного эффекта в резконеоднородном, слабонеоднородном и квазиоднородном электрическом поле заключается в том, что зарождение канала неполного пробоя в диэлектриках с барьерами в сильном электрическом поле происходит в условиях неоднородного поля несмотря на различия в механизмах пробоя диэлектриков.
4. При оптимальных местоположении барьера в промежутке и соотношении * диэлектрических проницаемостей барьерного и основного диэлектриков увеличение электрической прочности на 50% обусловлено повышением напряжения начала ионизационных процессов и снижением их интенсивности в диэлектриках, что при длительном приложении напряжения приводит к увеличению времени до зарождения каналов неполного пробоя.
5. Для объяснения барьерного эффекта в диэлектриках сформулированы и экс периментально обоснованы обобщенный подход и принцип расчета опти- '* мального положения барьерного слоя в изоляционных промежутках с раз- личной конфигурацией электродов. 6. На основании установленных закономерностей поведения многослойных неоднородных диэлектрических материалов в электрическом поле сформулированы научные основы проектирования высоковольтной изоляции с барьерами.
Практическая значимость работы
Разработаны практические рекомендации по проектированию высоковольтной изоляции с барьером.
Сформулированы основные требования к электрофизическим характеристикам материала барьерного слоя.
Разработаны новые композиционные материалы для барьерного слоя.
Разработана конструкция и изготовлены опытные образцы кабеля с барьером.
Разработана конструкция концевой муфты для кабелей среднего напряжения и начато ее мелкосерийное производство.
Разработана конструкция высоковольтного кабеля, в котором барьерный слой и индивидуальные экраны изолированных токопроводящих жил выполнены из материала с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Разработан и создан комплекс экспериментальных методик для исследования основных электрофизических характеристик диэлектрических материалов.
Личный вклад автора Диссертационная работа является итогом многолетних исследований, проводимых в НИИ высоких напряжений при ТПУ, научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическим институте кабельной промышленности (НИКИ г.Томск) и ПО "Камкабель" г.Пермь, под руководством и при непосредственном личном участии автора. Автор внес определяющий вклад в постановку задач, выбор направлений и методов исследований и проведение основной части измерений, анализ и интерпретацию полученных данных. В работе частично использованы результаты исследований Гефле О.С., Демина А.В., Чичикина В.И., Носкова М.Д., проведенных при не- посредственном участии автора.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 39 международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах.
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 печатных работах, в том числе в 41 статье в реферируемых журналах и сборниках научных трудов, защищены 5 авторскими свидетельствами на изобретения и двумя патентами.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 179 наименований, и двух приложений. Работа изложена на 252 страницах, включая 117 рисунков и 22 таблиц.
Влияние барьеров на пробой трехслойных диэлектрических систем в коаксиальной системе электродов
Под барьерным эффектом в технике высоких напряжений традиционно понимается явление повышения пробивного напряжения или времени до пробоя диэлектрического промежутка, в котором помещен дополнительный тонкий диэлектрический слой (барьер).
Первые работы по исследованию возможности повышения разрядного напряжения воздушных промежутков острие-плоскость за счет применения тонких диэлектрических барьеров были опубликованы Э.Марксом и Х.Розером в конце 20"х годов [1,2].
Авторами [1,2] при исследовании разряда в воздушных промежутках острие-плоскость при расстоянии между электродами d = 7-30 см было установлено, что барьерный эффект наблюдается на постоянном, переменном и импульсном напряжении; эффект зависит от степени неоднородности поля, местоположения барьера и полярности электрода с малым радиусом кривизны. Эффект тем значительнее, чем больше коэффициент неоднородности внешнего электрического поля и чем ближе к острию расположен барьер.
На постоянном и импульсном напряжении при положительной полярности острия пробивное напряжение промежутка повышается в 2-2.5 раза, когда отношение расстояния между острием и барьером {d ) к общему межэлектродному расстоянию dравно = d 7d = 0.15-0.3 (рис. 1.1). В случае отрицательной полярности острия пробивное напряжение (Vnp) увеличивается на 30-50%, а при \ 0.4 даже меньше Vnp промежутка без барьера.
На переменном напряжении в системе электродов острие-острие (при d = 30 см) наблюдалось трехкратное увеличение Vnp промежутка с барьерами из прессшпана, расположенными симметрично на расстоянии 6-7 см от острий-ных электродов [1].
В [2] установлено также, что барьер снижает интенсивность ионизации у острия и предразрядный ток в промежутке. При фиксированном положении барьера и изменении его линейных размеров от 30x30 до 100x100 см величина предразрядного тока уменьшается на два-три порядка по сравнению с током в промежутке без барьера. При наличии в барьере сквозного отверстия повышениє Vnp и снижение предразрядного тока тем меньше, чем больше диаметр отверстия.
Повышение Vnp объясняется в [1,2] увеличением разрядных градиентов за счет преобразования поля на участке барьер-плоскость из резконеоднородного в квазиоднородное. Преобразование поля происходит за счет оседания на барьере положительного объемного заряда, возникающего в промежутке в результате ионизации воздуха вблизи острия. Барьер в этом случае играет роль своеобразного плоского электрода с потенциалом, незначительно отличающимся от потенциала острия, так как падение напряжения в ионизованном промежутке острие-барьер незначительно. Авторы полагают, что барьер задерживает раз-рядг развивающийся с анода, и не препятствует развитию разряда с катода.
Тогда же, в конце 20"х годов, Э.Марксом и Х.Розером была предложена модель развития разряда в газовых промежутках с барьером, ставшая уже классической, которая с небольшими изменениями и дополнениями используется большинством авторов до сих пор [2].
Полуэмпирическая модель пробоя воздушного промежутка с барьером [2] основана на Таунсендовской теории пробоя газов и заключается в следующем. Для упрощения рассматривается случай постоянного напряжения. При положительной полярности острия вблизи него начинается процесс ударной ионизации, сопровождающийся образованием положительных (ионизованные молекулы газа) и отрицательных (электроны) носителей заряда. Вследствие различной подвижности носителей заряда, электроны за счет дрейфа в электрическом поле уходят в область максимальной напряженности поля и рекомбини-руют на положительном острие. Более "медленные" положительные ионы перемещаются под действием поля и, встречая на пути "непрозрачный" барьер, равномерно распределяются по его поверхности. При этом в непосредственной близости от острия формируется положительный объемный заряд, который ослабляет поле у острия, что приводит к снижению интенсивности ударной ионизации. Поле в промежутке барьер-плоскость становится более однородным, что ведет к повышению пробивного напряжения.
При отрицательной полярности острия, как и в предыдущем случае, вблизи острия начинается ударная ионизация. Электроны за счет большей подвижности движутся в направлении положительно заряженной плоскости и вследствие "прозрачности" барьера (для электронов) свободно перемещаются в промежуток между барьером и плоскостью. Часть из них захватывается молекулами кислорода, имеющими большое сродство к электрону, образуя отрицательно заряженные ионы. Другая часть может достигать положительно заряженного электрода-плоскость, рекомбинируя на нем. В результате вблизи отрицательного острия также образуется избыток положительного заряда, который повышает напряженность поля в непосредственной близости у острия, приводя к увеличению интенсивности ударной ионизации. Однако, по мере удаления от острия напряженность поля резко уменьшается, что ограничивает возможность дальнейшего развития разряда вглубь промежутка. Это в конечном итоге также приводит к незначительному повышению пробивного напряжения. На переменном напряжении, по мнению авторов, характер процессов аналогичен вышеописанному в каждый полупериод напряжения источника.
В [3] было исследовано влияние барьеров из бумаги толщиной 15-170 мкм и слюды (50 мкм) на пробивное напряжение промежутка острие-плоскость d = 10 мм, заполненного азотом под давлением Р. Установлено, что на постоянном и переменном напряжении максимальное увеличение пробивного напряжения наблюдается при Ъ, « 0.2 как при нормальном, так и при избыточном (до 1.8 МПа) давлении и практически не зависит от материала барьеров и их толщины. На постоянном напряжении наблюдается линейное увеличение Vnp с ростом давления, а на переменном напряжении при Р = 1.2 МПа в зависимости Vnp={P) наблюдается максимум. Максимальное значение Vnp в три раза превышает Vnp промежутка без барьера. Увеличение пробивного напряжения с ростом давления авторы связывают с уменьшением вероятности возникновения ударной ионизации, а барьер играет роль "... препятствия для развития положительного объемного заряда...". Авторы полагают, что эффект обусловлен выравниванием распределения поля в промежутке барьер-плоскость.
Диэлектрическая дисперсия в изоляционных материалах и многослойных диэлектриках в слабом электрическом поле
На сопрягающиеся полированные поверхности образцов наносился наполненный ЭК после чего сопрягающиеся части образца соединялись между собой в процессе отверждения ЭК. Толщина барьерного слоя составляла 0.5-1 мм, а межэлектродное расстояние (d) для всех образцов составляло 8±0.5 мм. В случае использования в качестве барьера полиимидной пленки на сопрягающиеся поверхности образцов наносился дихлорэтан для растворения поверхностного слоя ПММА, после чего между ними помещалась пленка толщиной 25 мкм и образцы устанавливались в струбцину. После испарения растворителя обе части образца были жестко соединены между собой.
Отношение расстояния между острием и барьером сГ к общему межэлектродному расстоянию d (&=d /d) изменялось от 0.1 до 0.9. Отношение диэлектрических проницаемостей материала барьера и основного материала (vj/= Ztft0M) изменялось от 1 до 20. В качестве электрода-острие использовались стальные иглы с радиусом закругления острия (г) от 10 до 60 мкм. Игла вставлялась в предварительно засверленное отверстие, после чего образец устанавливался в струбцину, давление в которой было всегда постоянным. Образцы со струбцинами помещались в вакуумный термошкаф, температура в котором повышалась со скоростью 2С/мин. После достижения температуры 95-100С образцы выдерживались в течение 12 час при постоянной температуре. Охлаждение образцов производилось под давлением в струбцине со скоростью 2С/мин.
При изготовлении образцов из ЭК, стальные иглы помещались в специальную оправку, которая заполнялась эпоксидным компаундом с отвердителем. Процесс отверждения и регулирования внутренних механических напряжений регулировался путем выбора оптимального количества пластификатора и температурного режима.
Качество контакта между материалом образца и электродом-острие, а также адгезия между основным материалом и барьером (отсутствие газовых полостей и трещин) контролировались с помощью микроскопа при увеличении 375 крат. Образцы с газовыми полостями, механическими напряжениями или трещинами у конца острия отбраковывались.
Регистрация момента зарождения каналов неполного пробоя (дендритов) осуществлялась с помощью оптической системы, выполненной на основе микроскопа МИМ-7 и регулярного волоконного световода [46,64] (рис.П.1.1). Пространственное разрешение оптической системы составляло 3-5 мкм при 375-кратном общем увеличении.
Испытания образцов проводились на переменном напряжении промышленной частоты при V= 17.5 кВ. При фиксированных значениях и \\f испыты-валось не менее 20 образцов. Образцы испытывались до зарождения дендрита, после чего напряжение отключалось и фиксировались время до зарождения и длина дендрита для каждого образца.
Хорошо известно [46,65-67], что процесс разрушения диэлектриков в рез-конеоднородном поле при небольших перенапряжениях имеет дискретный во времени характер и включает три стадии: додендритную (инкубационную), развития или роста дендрита и предпробивную. На предпробивной стадии формируется канал высокой проводимости, который замыкает межэлектродный промежуток и приводит к его пробою.
С точки зрения диагностики состояния изоляции наибольший интерес представляет исследование параметров, характеризующих додендритную стадию, так как независимо от конфигурации внешнего электрического поля процессы, обуславливающие зарождение дендрита или канала неполного пробоя в локальном объеме изоляции происходят именно на этой стадии.
Влияние барьеров с повышенной диэлектрической проницаемостью на характеристики дендритообразования было исследовано ранее для различных полимерных диэлектриков, обладающих аморфной и пространственно-сшитой структурой: ПММА, эпоксидного компаунда, полистирола, полиэстерной от-вержденной смолы [35,41,64,68].
Нами было установлено, что несмотря на различие экспериментальных условий (радиус закругления острия изменялся от 5 до 60 мкм, межэлектродное расстояние от 5 до 15 мм, испытательное напряжение от 10 до 27 кВ), можно выделить следующие общие закономерности: - экстремальный характер зависимости времени до зарождения дендрита т3 и его длины / от местоположения барьера; - повышение х3 с ростом диэлектрической проницаемости барьера при его оптимальном местоположении ( « 0.2510.05).
В [64,68] мы предположили, что экстремальный характер зависимости обусловлен особенностями перераспределения поля за счет двух факторов: накопления объемного заряда у острия, например, вследствие инжекционных процессов и формирования заряда на границах раздела "диэлектрик-барьер" за счет неоднородной поляризации материалов. В общем случае это предположение не вызывает возражений, поскольку т3 и / должны быть параметрами, чувствительными к перераспределению поля в изоляционном промежутке.
На наш взгляд основным недостатком большинства работ, посвященных исследованию характеристик дендритообразования, является то, что изменение т3 связывалось с величиной средней напряженности поля на локальном участке изоляции, определяемом длиной дендрита /, в то время как т3 в полимерных диэлектриках зависит и от локального коэффициента неоднородности поля [46,64]. В [41-43] была предложена гипотеза о влиянии пондеромоторных сил на процесс роста дендрита, однако влияние барьеров на т3 практически не обсуждалось.
В отличие от времени развития дендрита, которое определяется средней напряженностью и максимальным коэффициентом неоднородности поля [67], время до зарождения дендритов зависит не только от максимальной напряженности поля (Ем), определяемой для электродов гиперболоид вращения-плоскость по (2.1) [69], но и от скорости убывания напряженности поля вблизи острия
Исследование влияния предварительной поляризации барьера на пробивное напряжение воздушного промежутка
В целом, линейная зависимость lgi3 =fl)gKi) подтверждает высказанное в [46] предположение, что интенсивность старения и продолжительность доден-дритной стадии зависят не только от Ем, но и от локального коэффициента неоднородности поля.
В частности, анализ экспериментальных данных и формул (2.2) и (2.3) показывает, что при /- 0, величина Ecpi- EM, а АГ/- 1, то есть, максимальное вре-мя формирования канала неполного пробоя должно наблюдаться в условиях однородного внешнего поля. Это не противоречит экспериментальным данным и результатам, полученным в [72,73] для разного типа полимерных диэлектриков при отсутствии барьеров в промежутке.
Как уже упоминалось, оптимальное местоположение диэлектрических барьеров « 0.25±0.05 (табл.2.2 и табл.П.2.1, рис.2.9) практически не зависит от соотношения диэлектрических проницаемостей ц/ и проводимостей vj/ изоляционпого и барьерного материалов. Аналогичные результаты получены в [20-22] при исследовании времени запаздывания разряда и пробивного напряжения воздушных промежутков и каменной соли при воздействии импульсного напряжения. Если предположить, что независимо от рода воздействующего напряжения доминирующую роль в формировании канала неполного пробоя играет процесс накопления объемного заряда и создания критической напряженности поля на некотором расстоянии от острия [74-76], а интенсивность ионизационных процессов зависит от локального коэффициента неоднородности поля, то экстремальный характер зависимости т3 =Д ) и времени развития разряда может определяться аномальным перераспределением поля в промежутке при \ « 0.25±0.05.
Это подтверждается тем, что по данным многочисленных экспериментальных исследований оптимум пробивного напряжения, времени развития разряда и времени до зарождения дендритов находится при « 0.25±0.05 независимо от рода воздействующего напряжения, расстояния между электродами (миллиметровые, сантиметровые, метровые промежутки), фазового состояния среды (газы, жидкости, твердые диэлектрики).
Кроме того, в [77-79] мы показали, что аналогичный эффект может наблюдаться и в отсутствие барьера (подробнее см. раздел 3). Так, при неоднородном облучении ПММА протонами с различной глубиной пробега частиц, было обнаружено увеличение т3 и пробивного напряжения при \ « 0.25, когда роль "барьера" выполняла граница раздела между необлученной и облученной частями образца. Поскольку доза облучения выбиралась такой, чтобы повысить проводимость облученной части образца за счет деструкции молекул ПММА, мы предположили, что эффект повышения т3 и Vnp может быть обусловлен особенностями формирования двойного зарядового слоя. Такой слой может формироваться за счет термолизации протонов на глубине их пробега, а также существенной разницы проводимости необлученной и облученной частей образца. Образование двойного зарядового слоя может приводить к перераспределению поля в образце. Однако мы предполагаем, что также как в случае ПММА с барьером из полиимидной пленки (v/ = 1, V/ = 23.7), перераспределение поля за счет формирования объемного заряда и повышенной проводимости, оказывает влияние лишь на изменение абсолютных величин т3 и Vnp=fig).
В таком случае роль диэлектрических барьеров может сводиться к тому, что вследствие перераспределения поля в изоляционном промежутке локальный коэффициент неоднородности поля при , « 0.25 уменьшается, что приводит к повышению напряжения начала ионизационных процессов и уменьшению их интенсивности.
В то же время, существенная разница т3 при Р = 0.05 и 0.632 свидетельствует о том, что значительное влияние на этот параметр могут оказывать остаточные механические напряжения [41-43,51]. Исключить влияние остаточных механических напряжений достаточно трудно. Особенно это касается твердой монолитной изоляции большой толщины. В этой связи, представляю интерес оценить влияние параметров барьера на время до зарождения дендри-тов в области малой вероятности.
На рис.2.11 приведены зависимости N =/[і/, vj/ ) при Ем « 508 кВ/мм и Р -0.05, где N= x3olz3U- относительное изменение времени до зарождения дендри-тов в образцах с барьерами и без барьеров. Видно, что в диапазоне 1 \j/ 13 и 14 \/ 70 характер изменения Л от этих параметров различен, однако при vj/ 13 и ц/ 70 зависимости N =/(\/, \/) стремятся к насыщению. Это может быть обусловлено тем, что при диэлектрической проницаемости барьера с 40 резко увеличивается мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости с"= eg5 (табл.2.2), которая характеризует не только удельную проводимость материала на переменном токе (уа= Єоє"-со), но и степень запаздывания установления поляризации в барьерном слое при заданной частоте внешнего электрического поля.
С одной стороны, это может приводить к изменению плотности заряда на границах раздела слоев, с другой - к повышению средней напряженности поля в промежутке острие - плоскость до некоторого предельного значения, при котором х3 слабо зависит от Ki (/0- 1). Если исходить из характера зависимости N=f(\\r) и N =J(\\f ), то соотношение диэлектрической проницаемости барьерного и изоляционного слоев \/ должно находиться в пределах 15-17, при возможно меньшем 1/.
Однако в случае применения барьеров из композиционных материалов такое требование невыполнимо, поскольку с ростом диэлектрической проницаемости повышается коэффициент диэлектрических потерь КПМ. Поэтому реальное соотношение мнимых составляющих комплексной диэлектрической проницаемости \/ не должно превышать 70-100.
Для оценки влияния барьеров с высокой s на т3 при Р(т3) — 0, функции распределения времени до зарождения дендритов в области малой вероятности (рис.2.8) экстраполировались к вероятности Р=0.01, при которой определялись соответствующие значения т3 (рис.2.12). Затем зависимости т3 =/(4/) были преобразованы в т3 =J[P) для соответствующих у (рис.2.13). Видно, что с уменьшением вероятности от 0.05 до 0.01 барьерный эффект существенно снижается, при этом скорость уменьшения т3 зависит от \/ (рис.2.12). Зависимости т3=ДР) преобразуются в серию прямых линий, которые при 8 \/ 19.4 и Р(т3) = 0 сходятся в одну точку. Очевидно, что результаты такой экстраполяции представляют собой грубую оценку из-за недостаточно большого объема статистических данных.
Композиционные диэлектрические материалы с нелинейной вольт-амперной характеристикой
Таким образом, применение барьеров в высоковольтных изоляционных конструкциях позволяет повысить либо рабочую напряженность в изоляционной конструкции при заданном сроке службы, либо увеличить срок службы комбинированной изоляции при заданном уровне рабочей напряженности. С точки зрения потребителя основными преимуществами от применения такой "барьерной изоляции" являются повышение удельных энергетических характеристик за счет уменьшения габаритов высоковольтных изоляционных конструкций, или повышение надежности работы оборудования при сохранении массогабаритных параметров.
Одним из основных преимуществ применения барьеров в высоковольтной изоляции с точки зрения изготовителя таких изоляционных конструкций, как высоковольтные кабели, проходные изоляторы, высоковольтные вводы и т.д., является возможность значительного снижения материалоемкости за счет уменьшения толщины изоляции. Например, если учесть, что в кабельной промышленности основную часть себестоимости продукции (до 90%) составляют затраты на материалы, то преимущества барьерной изоляции очевидны.
К основным параметрам, высоковольтной барьерной изоляции, необходимо отнести следующие: местоположение барьера в межэлектродном промежутке; соотношение диэлектрических проницаемостей и проводимостей основного изоляционного и барьерного материалов; выбор допустимой рабочей напряженности поля в слоях изоляционной конструкции с учетом перераспределения электрического поля по диэлектрическим проницаемостям материалов. Кроме перечисленных основных параметров обязательным требованием к материалу барьерного слоя при проектировании изоляционных конструкций является то, что он должен перерабатываться тем же способом, что и основной материал. Например, при изготовлении высоковольтных кабелей материал барьерного слоя должен перерабатываться методом соэкструзии, как и материал основной изоляции. То есть, реологические характеристики материала барьера по возможности не должны сильно отличаться от таковых для основного изоляционного материала.
Ранее неоднократно отмечалось, что в абсолютном большинстве случаев зависимости Епр и т3 = ffe) имеют типичную форму с явно выраженным или размытым максимумом при определенном местоположении барьера в межэлектродном промежутке независимо от коэффициента неоднородности внешнего электрического поля, материала основного диэлектрика и барьера, вида воздействующего напряжения и межэлектродного расстояния.
В разделе 2.1 было показано, что экстремальный характер зависимостей т3- Д) в резконеоднородном внешнем электрическом поле при 4 « 0.25 обусловлен минимумом локального коэффициента неоднородности поля. Результаты, полученные нами в коаксиальной системе электродов, показывают, что формирование и развитие канала пробоя в трехслойных диэлектриках происходит в условиях резконеоднородного локального поля за счет наличия неод-нородностей поля, а это в свою очередь, приводит к появлению значительной тангенциальной составляющей напряженности поля. В данном случае местами локального усиления электрического поля в изоляции высоковольтного кабеля могут быть неоднородности на поверхности электропроводящего экрана токо-проводящей жилы, с которых происходит зарождение дендритов. При наличии таких неоднородностей в изоляции кабеля процесс пробоя в коаксиальной системе аналогичен процессу пробоя в системе электродов острие-плоскость. Это в свою очередь позволяет предположить, что увеличение Vnp и хпр в коаксиальной системе электродов также обусловлено аномальным изменением локального коэффициента неоднородности поля при и 0.25.
В этом плане оптимизация изоляции высоковольтных конструкций по первому параметру - местоположению барьера в промежутке, представляется достаточно определенной задачей. При переходе на другой тип изоляции оптимальное местоположение барьера не будет изменяться, а изменятся лишь абсолютные значения V„p, х3 или хпр. Таким образом, для максимального повышения Vnp, х3 или хпр при конструировании изоляции с барьером его оптимальное местоположение в промежутке должно быть выбрано из условия « 0.2510.05.
В разделе 2.1 показано, что в резконеоднородиом электрическом поле время до зарождения дендритов х3 имеет тенденцию к насыщению при повышении отношения диэлектрических проницаемостей и проводимостей основного и барьерного материалов. Кроме того, в [64,78,81,88] мы отмечали, что Епр, х3 и хпр твердых диэлектриков в резконеоднородиом поле и в коаксиальной системе электродов очень сильно зависят от соотношения диэлектрических проницаемостей основного и барьерного материалов ц/. Было показано, что изменение \j/ приводит к увеличению т3 и х„р примерно на два порядка величины и повышению Епр почти на 45%. В [81] мы показали, что в коаксиальной системе электродов зависимости Епр, хпр = J{\\f) имеют тенденцию к насыщению при \/ 6-8 (рис.2.19).
Как показано ранее, насыщение зависимостей Епр, х3 и хпр = J{y, \/ ) может быть обусловлено нелинейным ростом проводимости материала барьера в сильном электрическом поле и запаздыванием установления поляризации в барьерном слое, если последний представляет собой материал с высокой концентрацией наполнителя из сегнетоэлектрической керамики. То есть, основными ограничениями при оптимизации барьерной изоляции по этому параметру являются, с одной стороны, отсутствие эффекта повышения Епр, т3 или хпр при \j/ 2, с другой стороны, нецелесообразность применения барьеров с \j/ 6 вследствие насыщения зависимостей Епр, тпр = Дц/, \/ ) при дальнейшем увеличении ці и V/. При этом проводимость материала барьера не должна превышать величину проводимости основной изоляции более чем на два порядка величины, так как при у 100 начинает сказываться запаздывание установления поляризации в барьерном слое, что ведет к еще большему усилению поля в изоляционных слоях с меньшей диэлектрической проницаемостью. К тому же, при \/ 6 наблюдается существенное ухудшение реологических характеристик КПМ для барьерного слоя (пластичности и шприцуемости КПМ [92]), что также является фактором, ограничивающим соотношение диэлектрических проницаемостей и проводимостей основного и барьерного материалов.
