Электрический пробой толстых слоев льда на импульсном напряжении Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТОЛСТЫХ СЛОЕВ ЛЬДА НА ИМПУЛЬСНОМ НАПРЯЖЕНИИ

А. В, Астафуров !

(Представлено профессором, доктором Воробьевым А. А.)

В работе излагается методика эксперимента,, приводятся вольт-временные характеристики ; ручного льда для толщины 0,5; 1; и 1,5 сж в однородном и неоднородном электрических полях при. продолжительности экспозиции от 5- 10~7 до: 1(Г& сек; подсчитана скорость развития разряда,) равная (2—7) • 10"6 см!сек. \

Введение ; 1

Существенным недостатком многочисленных данных по электрическому пробою твердых диэлектриков, приведенных в опубликованных работах, является то обстоятельство, что исследования во^ь^-вре-менных характеристик обычно производились на образцах, флщида-которых не превышала 1—2 мм. Помимо данных Дрегера [1], ХднДрека [2] и Лемхауса [3], получивших вольт-временные характеристики Для фарфора и стекла при толщине до 9 мм, большинство закономерностей было получено на образцах толщиной менее 1 мм.

Известно, что при пробое в неоднородных электрических йоЛях с уменьшением толщины диэлектрика возрастает его электрическая, прочность, эффект полярности становится исчезающе малым [4]. Йрёд-ставляет научный и практический интерес изучение вольт-секундных характеристик при пробое твердых диэлектриков в больших толщинах.

Сравнение вольт-временных характеристик при пробое газообразных, жидких [5, 6] и твердых диэлектриков поможет выяснить физическую картину электрического пробоя последних. , | !

В качестве твердого диэлектрика в наших опытах применяйся речной лед, образовавшийся в естественных условиях. . |

Как известно, лед имеет довольно высокую электрическую прочность [4], его кристаллическая структура аналогична структуре $юрт-цита, в котором места атомов цинка и серы занимают атомы кислорода, удерживаемые относительно друг друга четырьмя водородными связями [7]. ■ : ; ;

Для выяснения состава льда был произведен его химический! анализ. Пробы брались из двух кусков льда. Объем каждой пробы составлял 5 л. Каждая проба бралась в верхней части льдины, средней и нижней частей. Как видно из табл. 1, плотный остаток льда при 110°С составляет от 6,2 до 7 мг/л. По данным кафедры аналитической химии Томского политехнического института, плотный остаток в дистиллированной воде однократной дистилляции составляет до 9 мг/л.

Методика эксперимента

Для получения импульсов высокого напряжения применялся гене-нератор импульсных напряжений (ГИН) на 1 440 кв. Для измерения амплитуды волны были применены емкостный делитель напряжения и

6,9

OL

Верхняя (0—14 см) . . . . Средняя (15—28 сл/) . . . Нижняя (29—42 см) ... . Часть льдины (сечение параллельно свободной поверхности)

XXX (V О CD Ч Ч Ч СП Ионов железа двухвалентного

пс гс а; О CD ч ч ч ~4 Ионов железа трехвалентного

ООО

to to to 00 w сл ю 00 Хлорид-ионов

ООО

ООО ел О О о со сл СО Сульфат-ионов

Еа д 0) ct> о ч ч н ю о Карбонат-ионов 03 fc Л*

со ы

ООО) О tO СО ООО ю Бикарбонат-ионов

их о> о» ст> ч ч ч ю ю Сульфид-ионов

<Х> О ч ч ч ю W Нитрит-ионов

XXX CD О fD ч ч ч ю ^ Нитрат-ионов

! 1,386 1 1,155 1 0,926 to Ol Углекислота свободная

0,0563 , 0,0479 0,0427 to Ионов кальция

0,0216 0,0187 - 0,0176 to Ионов магния

1 0,0234 0,0201 0,0220 to оо Сумма ионов натрия и калия

0,0065 0,0069 0,0077 to Хлорид-ионов

ООО ООО СО СО 00 О СО сю со о Сульфат-ионов

0,0760 0,0660 0,0600 Бикарбонат-ионов

о c>

X

S; 05

Верхняя (0—14 см) Средняя (15—28 см Нижняя (29—42 см) — Часть льдины (ее параллельно свобс поверхности)

. . . >» п ж я О X дагь

-Ч --1 -4 N3 — ГО W Концентпация ионов водорода рН

СП Сгз CD rt> <т> u u и

р с Р ГО ГО СП <Т> CD ч ч ч Си Ю SU со Цвет

Почти

отсут- rfk Наличие осадка

ствует

Dien сл CD OD fD W « w

вкуса вкуса вкуса ся Вкус

СЛ Dl CD Л) <т> <т> www

www 63 И W я я я рз 05 03 ООО Ь5 аэ &5 о Запах

ООО ООО О О -«4 ООО -J Карбонатная жесткость в мг-экв/л

О О ю ело <х Плотный остаток при 110° С

го to со 00 00 о Прокаленный остаток

ООО

to со со О О со о Окиси кремния

ООО со со о - Сумма полуторных (кислов

О О N-

00 СО- 01 сл to сл GO О to Ионов кальция

ООО

to ю to — to о СЛ 00 со СО Ионов магния

ООО СЛ СЛ о to со о о со Ионов щелочных металлов (в пересчете на натрий)

XXX (V С1 <ъ -i Ч Ч СЛ Ионов аммония

>3 w Ж

as.

gr О

H

s s s

А

л л Pt о

о р

в &>

S

со м

ч •в л

■О •D

w р

о -я

S* г» 5а О

в

Е X

09 О Я

•о.

а>

Ч о

X Я

со ÖV Ьз

К р

SC'

высоковольтный электронный осциллограф с большой скоростью записи. Осциллограф имел электронно-лучевую трубку 13Л02С и был изготовлен на кафедре техники высоких напряжений Томского политехнического института. В целях экранирования электронный осциллограф помещался в кабину из листового железа толщиной 0,8 мм. Размеры кабины 1X1,3X1,8 м3 (рис. 1).

Синхронизация ГИН и осциллографа была выполнена непосредственно от искрового реле осциллографа при помощи тригатрона (рис. 2). Последовательное зажигание ГИН с промежутка до промежутка О? обеспечивалось равномерным увеличением расстояний между шарами с 40 мм во втором промежутке до 70 мм — на последнем. Выбранная схема синхронизации вполне обеспечивала устойчивую работу установки.

Для формирования фронта импульса были применены пять последовательно включенных конденсаторов типа ИМ-110 емкостью по 0,025 мкф каждый (Сф) и сопротивление выбираемое по условиям эксперимента. Изменения и Сф по-

Рис. 1. Металлическая кабина для экранирования высоковольтного осциллографа.

зволяли регулировать длину фронта волны от 1 до 30 мксе>с п!р-и амплитуде до 500 кв.

Образцы льда для испытаний имели полную толщину 40—60 мм и вырезались при помощи накаленной нихромовой проволоки в направлении, перпендикулярном свободной поверхности льда. На рис. 3 представлено сечение образца в плоскости электродов, толщина образцов в месте пробоя составляла 0,5; 1 и 1,5 см.

Размеры образца в плоскости, перпендикулярной направлению лробоя, выбирались такими, чтобы исключить перекрытие по поверхно-

^ р & I

^Гр 1 сзад

Рис. 2. Схема установки.

сти. Сферическая лунка для испытаний в однородном электрическом поле выплавлялось нагретым электродом—сферой, коническая лунка для испытаний в неоднородном поле засверливалась. Отбраковка образцов перед испытаниями производилась визуально, причем негодными признавались те, у которых в области электродов просматривались матовые плоскости, трещины или волосные полости. На рис. 4 представлена фотография образца толщиной 60 мм. Часы находились за образцом.

В целях предупреждения перекрытия по поверхности пробой производился в трансформаторном масле при температуре от -—15° до —5° С.

В экспериментах со льдом применялись железные шлифованные электроды, а в экспериментах с дистиллированной водой—никелированные. Сферический электрод имел диаметр 94 мм, заземленный круг — плоскость 80 мм.

Электрод — острие имел диаметр цилиндрической части 12 мм и угол заточки острия около 13°.

к

Рис. 3. Сечение образцов для испытания в неоднородном . (7) и однородном (2) полях.

Рис. 4. Пластина льда для изготовления образна. Спичечная коробка перед образцом, часы — за образцом.

Образцы подвергались воздействию импульсов с амплитудой до 500 кв. Пробой происходил на фронте одиночного импульса.

Фотографирование импульсов напряжения с экрана электронно-лу-чевой трубки производилось фотоаппаратом «Киев» с объективом «Юпитер» светосилой 1 : 2 со специальной насадкой, увеличивающей фокусное расстояние для получения четкого изображения импульса на фотопленке. Обработка осциллограмм производилась после их увеличения в 1,5 раза по сравнению с размерами на экране осциллографа. Применялась панхроматическая фотопленка чувствительностью 180 единиц ГОСТ с эмульсией № 526, обрабатываемая обычными фотореактивами.

Обсуждение полученных результатов

На рис. 5—8 представлена зависимость пробивного напряжения от экспозиции для различных толщин речного льда, на фиг. 9— зависимость пробивного напряжения от толщины и на рис. 10—зависимость электрической прочности Е от толщины. На этих же фигурах для сравнения приведены аналогичные зависимости, полученные автором.

кб 300

250

200

150

100

Чч

6 8 10~6 2 3 4 в 8 10 ° 2 сек

кб

250

200 150 100 50

J_L

___

■ ' »

I I I

3 4 6 8 Ю"6 2 3 4 о 8 10~5сек

Рис. 5. Вольт-секундные характеристики речного льда и дистиллированной воды. Равномерное поле, импульс положительной полярности, ф — 90%. - речной лед:---: — дистиллированная ВОД2.

Рис. 6. Вольт-секундные характеристики речного льда и дистиллированной воды. Неравномерное поле, ф, О — положительный импульс, Д—отрицательный импульс, 5 = 0,5 см, ф = 90%.

1 — речной лед; 2 — дистиллированная В( да.

для дистиллированной воды. На каждую точку пробивалось от 7 до 15 образцов. Все кривые построены по данным статистической обработки результатов экспериментов при вероятности пробоя 113 = 90%. Разброс данных составлял до ±30—40% среднего значения.

Кб

350 V 300 250 280 750 300 50

'Пр

3 4 6 810'6 2 3 4 6 & Ю'5 сек

Рис. 7. Вольт-секундные характеристики речного льда и дистиллированной воды. Неравномерное поле, ф, О—положительный импульс, Д — отрицательный импульс, 5 = 1 см, ф = 90%. Обозначение кривых по рис. 6«

3 Ч 6 8 Ю'6 2 3 4 6 8 10

се/с

Рис. 8. Вольт-секундные характеристики речного льда и дистиллированной воды. Неравномерное поле; ф, О — положительный импульс, Д— отрицательный импульс; 5= 1,5 см, ф = 90%.

Обозначен! е кривьх по рис» б.

Вольт-временные характеристики при пробое льда и дистиллированной воды в однородном и неоднородном электрических полях и при разных толщинах имеют вид, наблюдаемый для других диэлектриков

кб/см

600 -Е,

10 см

Рис. 9. Зависимость электрической прочности речного льда и дистиллированной воды от толщины при времени экспозиции ^ МО-6 сек. Неравномерное поле; О — положительный импульс; Д—-отрицательный импульс ф=90%.

Обозначение кривых по рис. 6.

Рис. 10. Зависимость пробивного напряжения от толщины речного льда и дистиллированной воды при времени экспозиции^ЫО-6 сек. Неравномерное поле, #,0—положительный импульс;

Д — отрицательный импульс; ф = 90%.

Обозначение кривых по рис. 6.

[4, б]. Значительное возрастание электрической прочности Епр начинается при экспозициях менее 1 мксек. Епр с возрастанием толщины льда спадает быстрее, чем у дистиллированной воды.

Полученные нами вольт-временные характеристики льда позволяют произвести подсчет времени формирования и скорости развития разряда. Метод определения времени формирования разряда, предложенный Г. А. Воробьевым [11], поясняется на рис. 11, где V1— пробивное на-

пряжение при малой экспозиции; ¿/0 — пробивное напряжение, при котором не сказывается запаздывание разряда; — время, соответствующее ио; 1ф—-время формирования разряда; (сп — время спада напряжения при пробое диэлектрика.

Определение электрической прочности нерентгенизованной и рент-генизованной соли при экспозициях 2-10"8 сек [8, 9, 11] дало одинаковые значения Епр что дает право при расчетах времени формирования разряда в твердых диэлектриках пренебрегать статистическим временем

запаздывания, которое там практически отсутствует бл^тод,аря постоянному наличию свободных электронов. Приняв последнее положение также и для льда, согласно [10] можно подсчитать скорость развития разряда по формуле

Рис. И. График к определению времени формирования разряда.

Ф

где о — скорость развития 8 — толщина образца;

разряда;

/.—время формирования разряда.

В табл. 2 даны результаты расчетов времени формирования и скорости развития разряда во льду.

Сравнивая скорости развития разряда во льду, данные в табл. 2, со скоростями развития разряда в ионных кристаллах и других диэлек-

Таблица 2

Форма ноля

Ь, см

пр' кв

и0,

кв

to.

10-' се к

Ф'

10~7 сек

v,

10е см!сек

Положительная сфера против I заземленной плоскости 1

Положительное острие против ( заземленной плоскости 1

Отрицательное острие против заземленной плоскости

0,5 325 170 2,85 2,25 2,22

1,0 330 225 3,52 1,63 6,14

1,5 436 310 4,78 4,92 3,05

1,0 340 132 2,4 2,95 3,39

1,5 375 180 3,05 3,21 4,67

0,5 305 230 3,6 1,05 4,77

1,0 352 252 3,88 1,68 5,95

1,5 368 260 4,0 2,0 7,5

Таблица 3

№ п/п. Исследованные диэлектрики Толщина 8, мм Экспозиция 6.10-Н-1.4-10-7 Экспозиция 24-3.10"« сек

10-8 сеК V, 10е см!сек Ю-0 сек ^» Ю6 см) сек

1 2 3 4 5 6 7

1 NaCI............ 0,15 1,7 0,88 1,5 1,0

2 KCl............. 0,15 1,6 0,94 1,37 1,095

3 КВг............. 0,15 2,2 0,68 1,2 1,25

4 KJ............. 0,15 2,1 0,72 1,1 1,36

5 NaCI............ 0,3 3,0 1,0 Нет данных

6 Орг. стекло......... 0,05 —. — 1,1 0,526

7 Сегнетова соль ....... 0,15 2,35 0,64 —.

8 NaCI острие В ....... 0,7 5,1 1,37 — —

9 NaCI острие ф ....... 0,7 0,9 7,77 — —

10 Тальк пластин ........ 0,15 1,95 0,78 — —

триках i[12], приведенными в табл. 3, можно заключить, что скорость развития разряда возрастает с ростом толщины твердого диэлектрика. Приведенные в табл. 2 и 3 данные о возрастании скорости разряда с увеличением толщины твердых диэлектриков аналогичны данным о возрастании скорости развития разряда в газовом промежутке с увеличением длины последнего [5]. Этот факт позволяет сделать предположение о возможности стримерного характера разряда в твердых диэлектриках при больших толщинах.

В опытах нами наблюдалась люминесценция льда при действии импульсов высокого 'напряжения. На рис. 12 представлена фотография люминесцирующего льда при импульсном напряжении положительной полярности с амплитудой 100 /се, температура — 15ПС. Расстояние между электродами заведомо больше пробивного и равно 70 мм, образец цилиндрической формы, сечением 120 ММ, ВЫСОТОЙ 380 мм; железный Рис. 12. Люминесценция льда электрод-острие вмо.рожен в образец при в электрическом поле,

его изготовлении. Образец находился в воздухе. Видимая люминесценция исчезает через несколько секунд после снятия напряжения. Интенсивность люминесценции увеличивается с понижением температуры льда.

Выводы

1. Вольт-временные характеристики твердых и жидких диэлектриков в толщинах от 5 до 15 мм аналогичны вольт-временным характеристикам твердых и жидких диэлектриков в малых толщинах. Возрастание электрической прочности льда наблюдается, так же как и для других твердых диэлектриков, в области малых экспозиций.

2. С увеличением толщины льда наблюдается понижение его электрической прочности.

3. С увеличением толщины льда скорость развития разряда в нем возрастает.

4. Как и для ионных кристаллов [4, 8], для льда обнаружено значительное повышение электрической прочности при отрицательной полярности импульса.

В заключение автор выражает сердечную благодарность профессору, доктору А. А. Воробьеву за предложение темы работы, научное руководство и постоянный интерес к работе, кандидату технических наук Г. А. Воробьеву за обсуждение работы и ряд ценных указаний, а также старшему преподавателю кафедры аналитической химии В. Б. Соколович за выполнение химического анализа льда.

Литература

1. Draeger, Arch. f. Elektr., 13, 366, 1924.

2. Handrek, Hescho-Mitt., 46, 1929.

3. Lehm ha us F., Arc. J. Elektr., 32, 281, 1038.

4. Воробьев А. А и Приходько Н. А., Труды Сиб. ФТИ, 4, 112, 1936.

5. Под ред. проф. Сиротинского Л. И., Техника высоких напряжений, ч. I, ГЭИ, 1951.

6. Вальтер А. Ф. и Инге Л. Д., ЖФТ, 3, 840, 1933.

7. Бокий Г. Б., Введение в кристаллохимию, МГУ, 1954.

8. Вальтер А. Ф., Инге Л. Д., ДАН СССР, 2, 65, 1934.

9. Воробьев Г. А., ЖЭТФ, 30, 256, 1956.

10. Уайтхед С., Пробой твердых диэлектриков, ГЭИ, 1957.

11. Воробьев Г. А., Изв. ТПИ., 91, 79, 1956.

12. А с т а ф у р о в А. В., Воробьев А. А., Воробьев Г. А., К е в роле-па К. М., Изв. ТПИ (в настоящем выпуске).