Научная статья на тему 'Влияние пленочных барьеров на импульсное пробивное напряжение стекла'

Влияние пленочных барьеров на импульсное пробивное напряжение стекла Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
137
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние пленочных барьеров на импульсное пробивное напряжение стекла»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.