CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ _ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА_
Том 159 1967 г.
ВЛИЯНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ БАРЬЕРОВ НА ИМПУЛЬСНОЕ ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СТЕКЛА
Д. Д. РУМЯНЦЕВ
(Представлена научным семинаром научно-исследовательского института
высоких напряжений)
При пробое газообразных и жидких диэлектриков в неоднородном поле наблюдается так называемый барьерный эффект, т. е. увеличение электрической прочности изоляционного промежутка при расположении м.ежду электродами тонкого слоя твердого диэлектрика, который принято называть барьером [1, 2].
В твердых диэлектриках также наблюдается повышение пробивного напряжения,*4 если между слоями одного диэлектрика расположить тонкий слой другого диэлектрика с большей электрической прочностью [3, 4, 5].
Данная работа посвящена исследованию влияния барьеров из пленок высокополимерных материалов на пробивное напряжение технического стекла. Исследования проводились на импульсном напряжении в резко неоднородном поле элек1-родов «острие—.плоскость». Длина фронта импульсов изменялась от Ю-7 сек до 2.10~ 5 сек. Пробой образцов производился на фронте импульсрв. Образцы составлялись из пластин стекла различной толщины и в большинстве экспериментов состояли из трех пластин, общая толщина которых равнялась 5,2 мм (1,3 мм\ 1,4 мм; 2,5 мм). Барьер располагался между пластинами на различном расстоянии от острия. Барьерами служили пленки из полиэтилена (ПЭ), политетрафторэтилена (ПТФ), полиэти-лентерефталата (ПЭТФ) и полистрола (ПС) толщиной от 20 до 200 мк.
При пробое образцы помещались в трансформаторное М1асло. Электродное устройство, эскиз которого показан на рис. I, позволяло прижимать пластины стекла друг к другу с постоянным усилием, чем обеспечивалась приблизительно одинаковая толщина масляной прослойки между пластинами в различных экспериментах.
Ниже приведены результаты проведенных исследований.
На рис. 2 представлена зависимость пробивного напряжения (11 пр ) стекла от расположения в образце барьера из пленки ПЭ-50 (здесь и да-
Рис. 1. Электродное устройство: 1, 2— электроды, 3 — образец, 4 — барьер, 5 — неподвижная рамка, 6—'Подвижная рамка, 7 — упоры, 8 — пружины.
лее цифры после букв означают толщину пленки в микронах) при различной полярности импульсов. Толщина (образцов — 5,2 мм. 5—расстояние от электрода «острие» до барьера.
Из рис. 2 видно, что максимальным С1пр обладают образцы, в которых барьер расположен ка расстоянии 1,3 мм от острия, т. е. между 1 и 2 пластинами. Относительное увеличение ипр за счет барьера при положительной полярности выше, чем при отрицательной. Увеличение ипр стекла также наблюдается при использовании в качестве барьера пленок ПТФЭ, ПЭТФ и ПС.
При помещении в образец барьера из пленки между пластинами образуется «дополнительная» прослойка жидкого диэлектрика. Чтобы избежать образования «дополнительной» прослойки, в качестве барьера был использован тонкий слой бакелитового лака, нанесенный на поверхность стекла. В этом случае'также наблюдалось повышение ¿Упр стекла при расположении барьера вблизи электрода «острие».
Чтобы выяснить влияние толщины прослойки трансформаторного масла на I)пр образцов из стекла в барьере, из пленки вырезалось от-
и*в
120
80
ьо
0 1 2 3 4 S мм
Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения стек-па от расположения барьера в образце: 1—импульсы положительной полярности, 2 — импульсы отрицательной полярности, V и 2' — пробивное напряжение образцов без барьера. Длина фронта импульсов 10~5 сек.
верстие диаметром 20 мм. Толщина барьера, а следовательно, и толщина прослойки изменилась от ^20 до 200 мк. Барьер с отверстием располагался на расстоянии 1,3 мм от электрода «острие».
В результате экспериментов установлено, что изменения толщины прослойки трансформаторного Масла, от 20 до 200 мк не приводит к сколько-нибудь заметному увеличению стекла. Исходя из этого
и учитывая, что электрическая прочность трансформаторного масла 'в толщинах до 500 мк составляет 105 в/см [6], т. е. более чем на порядок ниже электрической прочности пленок (барьеров), можно заключить, что увеличение £/пр стекла происходит только за счет барьера. Поэтому в дальнейших рассуждениях мы не будем принимать во внимание наличие прослойки жидкого диэлектрика между слоями твердых диэлектриков.
При пробое образцов с барьером резко увеличивается время запаздывания разряда, причем различие во временах запаздывания при пробое образцов с барьером и без барьера зависит от скорости нарастания напряжения—крутизны импульса. На ¡рис. 3 представлена зависимость
разности времен запаздывания разряда в образцах с барьером из ПЭ-50 и без барьера от крутизны импульса.
Из рис. 3 видно, что разность времен запаздывания уменьшается с увеличением крутизны импульса. Так как статистическое время запаз- ; дывания б твердых диэлектриках мало и составляет 10~ 9-г- 10"" 8 сек {7], то можно считать, что увеличение времени запаздывания разряда при пробое образцов с барьером происходит за счет увеличения времени формирования разряда.
Повышение пробивного напряжения твердого диэлектрика при наличии барьера можно объяснить следующим образом. При достижении критической напряженности на электроде «острие» ¡в диэлектрике начи-/ кает развиваться разряд, который достигает барьера. Но так как элект-
Рис. 3. Зависимость разности времен запаздывания разряда в образцах с барьером и без барьера от ' крутизны импульса. Толщина образцов — 5,2 мк. Барьер — полиэтилен 50 мк.
рическая прочность барьера значительно выше прочности основного твердого диэлектрика, напряженность на головке канала разряда еще не достаточна, чтобы началось развитие разряда в барьере. Дальнейшего прорастания разряда в глубь основного диэлектрика не происходит до тех пор, пока напряженность поля в месте соприкосновения развивающегося разряда и барьера не достигнет величины, достаточной для развития разряда в барьере, после чего разряд развивается дальше и наступает пробой.
На рис. 4 представлена схема развертки во времени развития разряда в образце без барьера (1) и с барьером (2) в резко неоднородном поле.
Для выяснения механизма повышения пробивного напряжения стекла за счет барьера было исследовано влияние электрической прочности барьера на ипр . В результате экспериментов было установлено, что повышение и пр пропорционально электрической прочности барьера и не зависит от величины пробивного напряжения непосредственно барьера. Так, барьер из ПТФЭ-30, имеющий Е = 464 кв/мм и 0пр =5—7 кз в резко неоднородном поле, увеличивает пробивное напряжение стекла на 44%, но барьер из ПТФЭ-200, имеющий Е = 224 кв/мм и £/пр = 10—12 кв в резко неоднородном поле, повышает пробивное напряжение стекла на 22%.
Поскольку основную роль в повышении ипр играет электрическая прочность, а не толщина барьера, то можно полагать, что высокопрочный барьер толщиной в единицы- микрон также будет приводить к увеличению и
Рис. 4. Схема развития разряда в твердом диэлектрике без барьера (1) и с барьером (2): /ф— время формирования разряда, &и — увеличение пробивного напряжения за счет барьера, Ы — увеличение времени формирования разряда за счет барьера.
пр-
Однако повышения 11пр не будет наблюдаться, если электрическая прочность барьера и основного диэлектрика отличается незначительно.
Так, барьер из ПЭ-50 не приводит к увеличению С/пр образцов, составленных из двух пластин органического стекла.
На рис. 5 представлены зависимости /Упр образцов из технического стекла без барьера (1) и величины повышения 0 лр за счет барьера из ПЭ-50—Аи (2) от времени воздействия напряжения. Из рис. 5 ¿видно, что Д/У изменяется незначительно до I 2-10"6 сек, а затем резко уменьшается с уменьшением времени до пробоя, и при времени порядка 10 ~ 7 сек барьер практически не влияет на и пр стекла. Величина и Пр образцов без барьера при временах 2*10 ~ 6 сек и менее резко - увеличивается при уменьшении экспозиции напряжения и при / порядка 10" 7 сек £'пр " увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с ¿/пр при 1= 10" 5 сек. Следовательно, при экспозициях напряжения порядка 10- 7 сек напряженность на головке развивающегося в стекле разряда достаточна велика, ЧТОбы ПрИ ДОСТП- ^«р жении барьера разряд начал развиваться в последнем без задержки по времени. Это и можно считать основной причиной того, что при ¿= 10~ 7 сек барьеры из полимерных пленок не увеличивают пробивного напряжения стекла.
Исходя из вышеизложенного, 'можно сделать следующие выводы.
1. В резко- неоднородном поле импульсное пробивное напряжение стекла существенно увеличивается при расположении в нем тонкого слоя другого более прочного диэлектрика барьера.
160
1Ь0
120
ю О
80
60
Ьо
20
.0
о \ 2
\ <
/ / Г
10
-7
ю
-6
10
-5
£ сек
Рис. 5. Зависимость [7Пр образцов из стекла без барьера (1) п величины А и (2) от времени воздействия напряжения.
и
/
2. Увеличение пробивного напряжения твердого диэлектрика за счет барьера зависит от соотношения электрических прочностей барьера и основного диэлектрика; чем больше разница в электрической прочности барьера и основного диэлектрика, тем значительнее повышение пробивного напряжения.
3. Увеличение времени запаздывания разряда при пробое стекла с барьером зависит от крутизны импульса напряжения и при крутизне порядка 10 кв/мксек достигает 5 и более микросекунд.
ЛИТЕРАТУРА
>1. Н. Ф. В о л о щ е н к о. Влияние барьеров на электрическую прочность воздушных промежутков. Электричество. № 3, 194-6.
2. А. А. Шилван. Исследование методов повышения прочности жидкой и газообразной изоляции путем применения барьеров. Труды Л ПИ, 1, 1954.
.3. Ю. Н. Леонтьев, Нч М. Тор б юн. Влияние положения барьера на пробивное напряжение твердых диэлектриков. Изв. вузов — Энергетика, 12, 1961.
4. Д. Д. Румянцев, Н. М. Т о р б и н. Влияние барьеров на пробивное напряжение некоторых твердых диэлектриков. Пробой диэлектриков и полупроводников. Сб. докладов IV межвузовской конференции, 1-964.
5. Д. Д. Румянцев, Н. М. Т о р б и н. О барьерном эффекте в твердых диэлектриках. Изв. ТПИ, т. 149.
■6. Д. А. К а п л а н. Электрическая прочность трансформаторного масла при малом расстоянии между электродами. Электротехника, № ,10, 1964.
7. М. А. Мельников. Диссертация, Томск; 1959.
