Механизмы пробоя жидкостей

Введение
Актуальность. Современный этап жизни человечества характеризуется высокими темпами научно-технического прогресса. С каждым днем разрабатывается все большее число новых приборов и технологий, открываются различные эффекты.
История учения о пробое диэлектрических жидкостей насчитывает более полутора столетий, но подлинный интерес к этому явлению пробудился в начале ХХ века в связи с развитием практической электротехники и электроэнергетики. Шло накопление данных об электрической прочности жидкостей (прежде всего, минеральных масел) и её зависимости от различных факторов: свойств и состояния жидкости, геометрии разрядного промежутка и свойств материала электродов, параметров напряжения. Одновременно изучались природа и свойства жидкостей, выполнялись некоторые количественные измерения (напряжение, ток, заряд, световая эмиссия) и визуальные наблюдения для установления механизма пробоя жидкостей.
В настоящее время вопрос об изучении механизмов пробоя жидкости до сих пор остается весьма актуальным и ему посвящаются многие работы.
Цель данной работы заключается в изучении механизма пробоя жидкости. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрено понятие пробоя;
- изучены механизмы пробоя жидкости и работы, проводимые в данной области.
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступает пробой веществ, а предметом исследования являются механизмы пробоя жидкости.
1 Понятие пробоя
Силы электрического поля при соответствующем увеличении напряженности могут привести к нарушению состояния равновесия. В результате диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости, но не весь образец, на который подано напряжение, а только узкий канал, направленный от одного электрода к другому.
Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, неполным, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов, и частичным, если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности (в газе или в жидкости), называемый поверхностным пробоем.
Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением.
Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика (или электрической изоляции), линейная при обычных напряжениях (U), отклоняется от линейной с приближением напряжения к величине пробивного (см. рисунок).
Рисунок - Вольт-амперная характеристика электрической изоляции [1]
В момент пробоя ток через диэлектрик резко возрастает. В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает, несмотря на рост тока.
Если пробой произошел в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои первоначальные свойства и значение Uпp (но при условии, что мощность и длительность электрической дуги не были столь значительными, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем его объеме). После пробоя твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого (откуда и название «пробой»), прожженного или проплавленного отверстия чаще всего неправильной формы. Если вновь подать напряжение, то пробой, как правило, происходит по пробитому ранее месту при значительно пониженном напряжении.
В ряде случаев после пробоя диэлектрика в канале пробоя остаются проводящие продукты разложения, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Связанное с образованием проводящих следов («треков») повреждение поверхности твердого диэлектрика поверхностным пробоем называют трекингом.
Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности.
Значение Unp диэлектрика непосредственно связанно со временем приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.
Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается, т.е

. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости Unp от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Пробивное напряжение (Unp) растет с увеличением толщины диэлектрика h.
Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле вводят понятие напряженности электрического поля, при которой происходит пробой. Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью. Электрическая прочность является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.
Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.
2 Механизмы пробоя жидкости
Экспериментальные результаты по пробою жидких диэлектриков показывают наличие, как минимум, двух областей, связанных со временем воздействия напряжения, появление которых объясняется различными механизмами пробоя.
При длительном воздействии напряжения присутствие влаги, газа, загрязнений в жидком диэлектрике сильно снижает его электрическую прочность, причем наиболее опасным является эмульгированное состояние влаги. Пробой наступает вследствие образования цепочек из мелких поляризованных частиц включений, которые выстраиваются вдоль силовых линий. Эти цепочки образуют более проводящие каналы, по которым протекает ток, разогревающий их и прилегающую к нему жидкость до кипения. Газ в жидкости образуется также за счет диссоциации молекул в электрическом поле и электролиза, в дальнейшем растворенный газ коагулирует в пузырьки при нагреве жидкости токами проводимости.
Образование газовых пузырьков у электрода может также иметь место и при импульсном напряжении как за счет диссоциации молекул жидкости, так и за счет локального вскипания жидкости под воздействием выделенной энергии. В газовых пузырьках развивается ударная ионизация, образуются стримерные каналы, которые развиваются к противоположному электроду. В длинных (сантиметровых) промежутках пробой, как и в газах, имеет лидерный характер.
При воздействии импульсов напряжения с длительностью т КГ3 с влияние примесей значительно ослаблено, так как они не успевают переместиться на заметные расстояния. Начальная стадия разряда в жидкости возникает при напряженностях около 100 кВ/см. В этом случае начинают проявляться процессы электронной эмиссии и ионизации молекул жидкости. Возможна ударная ионизация у катода и автоионизация жидкости у анода. Все перечисленные явления могут участвовать в инициировании разряда [2].
Определились два принципиально различных подхода к явлению электрического пробоя жидкостей. Согласно одному из них, электрический пробой жидкостей фактически является разрядом в газовых пузырьках (полостях), которые присутствуют в жидкостях и на электродах до приложения поля и образуются при протекании тока за счет вскипания, электролиза, кавитации и др. В современной терминологии такой пробой называется «пузырьковым».
Сторонники иного подхода разряд в жидкости рассматривают как следствие лавинообразного размножения свободных носителей заряда в самой жидкости под действием сильного поля и используют модель, которая, по существу, является моделью газового разряда, распространенной на жидкую фазу вещества. Этот механизм пробоя стали называть «ионизационным» или собственно электрическим. К 70-м годам прошлого столетия были опубликованы несколько десятков моделей (качественных и количественных) как пузырькового, так и ионизационного пробоя жидкостей. Следует назвать два принципиальных недостатка этих моделей.
Во-первых, практически все они являются критериальными, т.е. ориентированы на вычисление некоторой критической разности потенциалов между электродами или критической напряженности поля, при которых нарушается равновесие системы и которые принимаются за пробивные. Из всего многообразия процессов, ответственных за формирование пробоя, выбираются один два (например, разогрев и вскипание жидкости, эмиссия электронов из катода, взаимодействие ускоряющихся электронов с коллективом молекул жидкости и др.), а спонтанное нарастание их интенсивности принимается за выполнение условия пробоя. Процессы, участвующие в формировании пробоя, не рассматривались в их временной и пространственной последовательности.
Во-вторых, многие параметры критериальных уравнений не поддаются точному определению и оказываются весьма чувствительными к трудно контролируемому состоянию жидкости и электродов