Пузырьковая модель зажигания импульсного электрического разряда в жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Г Г 5 О Л

/ Г Г ' \ Т ' -" 1 На правах рукописи

КОРОБЕЙНИКОВ СЕРГЕЙ МИРОНОВИЧ

УДК 537.528

ПУЗЫРЬКОВАЯ МОДЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ЖИДКОСТЯХ

01.04.13. - «Электрофизика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск -1998

Работа выполнена в Новосибирском Государственном Техническом Университете и Сибирском Научно-Исследовательском Институте Энергетики.

Официальные оппоненты:

чл. корр. РАН, доктор технических наук

доктор технических наук, профессор доктор физико-математических наук

Ю.Н. Вершинин (Институт Электрофизики УрО РАН) В.Я. Ушаков (Томский Политехнический Университет) Ю.К. Стишкоз (НИИ Радиофизики при Санкт-Петербургском Государственном Университете)

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный

Технический Университет

Защита диссертации состоится «_»__1998 г. в __часов

на заседании специализированного Совета Д. 003.41.01 при Институте Сильноточной Электроники СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 634055, Томск, пр. Академический, 4, ИСЭ СО РАН, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭ СОРАН

Автореферат разослан «_»_199_г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук профессор г^У*^/

Д.И. Проскуровский.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Экспериментальные и теоретические исследования импульсного электрического пробоя жидкостей оставляют, вплоть до настоящего времени, немало "темных пятен" в самых принципиальных вопросах, что связано со сложностью объекта изучения, а именно, нестационарностью процессов пробоя, быстротечным характером их протекания, непредсказуемостью места и момента времени пробоя, наличием мощных электромагнитных наводок широкого спектрального диапазона. До сих пор обобщение экспериментальных данных осуществлялось, в основном, в виде эмпирических зависимостей для частных случаев. Однако данные, а соответственно и зависимости, полученные в разных работах, зачастую противоречат друг другу. Это обусловлено не столько сложностью контроля условий проведения экспериментов, сколько неопределенностью факторов, влияющих на пробой, в особенности на стадию подготовки разряда. Выяснение роли различных факторов, получение количественной оценки их влияния очень важно и для теории пробоя и для практики. Не существует теории, позволяющей получать оценки электрической прочности из "первых принципов", т.е. из физической картины предпробивных явлений. Попытки перенесения модели ударной ионизации из газов в жидкости достаточно противоречивы. Многочисленные пузырьковые модели основаны на рассмотрении механизмов появления пузырьков и связывают пробой исключительно с их появлением. Кроме того, они статичны и не могут, даже качественно, объяснить особенности импульсного электрического пробоя.

Практика использования жидкой электрической изоляции привела к необходимости получения эмпирических зависимостей электрической

прочности. Известны выражения для оценки влияния длительности импульса, внешнего давления, площади электродов, «эффекта полярности электродов». Однако они пригодны только для конкретных исследованных диапазонов изменения условий экспериментов.

Теоретическое обобщение экспериментальных данных, выяснение физических оснований существующих эмпирических зависимостей, создание модели зажигания разряда и, тем самым, основ теории импульсной электрической прочности жидкостей является важной и актуальной темой исследований.

Работа выполнена в Сибирском НИИ Энергетики и Новосибирском Государственном Техническом Университете в рамках договоров с Институтом Экспериментальной Физики (Арзамас-16) (1982-1991 гг), Институтом Ядерной Физики СОР АН (1989-1992 гг), грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1992-1993 гг), Российского Фонда Фундаментального Естествознания (1996-1997 гг.).

Направления исследований.

1. Разработка модели зажигания разряда в жидких диэлектриках основанной на поведении жидкости и пузырьков в сильных электрических полях.

2. Анализ поведения жидкости под действием импульсных электрических полей, в частности:

- динамики электрострикционного давления;

- приэлекгродных объемных зарядов;

- давления и энерговыделения в приэлектродной области.

3. Анализ поведения пузырьков в электрическом поле, в особенности:

- деформации пузырька под действием поля;

- влияния давления на фазовый переход;

4. Получение основных зависимостей импульсной электрической прочности от различных факторов и сопоставление их с экспериментом.

5. Разработка учебно-исследовательской программы расчета зависимостей импульсной электрической прочности.

Целью настоящей работы является разработка теоретических основ зажигания импульсного электрического пробоя жидкостей на основе физической картины предпробивных процессов с учетом состояния жидкости, электродов и роли микропузырьков.

Защищаемые положения.

1. Воздействие импульсного напряжения в системе электродов с неоднородным полем приводит к возникновению в жидкости электросгрикционных волн давления. Значение электрострикционного давления у острийных элеетродов в полярных жидкостях дополнительно усиливается за счет дипольного насыщения молекул.

2. Корректный учет электрострикционного давления в жидкости позволяет устранить известные трудности, возникающие при теоретическом анализе деформации пузырька в электрическом поле и найти выражение для описания его параметров при различных условиях воздействия напряжения. Это позволило установить, что электрическое поле препятствует образованию в жидкости пузырьков и поэтому неверны существующие представления об электростатических механизмах образования предпробивных пузырьков.

3. Последовательность процессов, приводящих к пробою, включает в

себя разряд в пузырьке при достижении на нем критического напряжения,

деформацию пузырька кулоновскими силами, усиление поля в области

5

полюсов пузырька, переход разряда в жидкость после достижения критической напряженности поля.

4. Зависимость импульсной электрической прочности от давления усиливается, если зажигание разряда происходит в зоне ослабленного поля за счет объемного заряда. Эффективным способом увеличения импульсной электрической прочности жидких диэлектриков должно являться создание гидростатического давления в жидкости при условии экранирования электродов.

5. Ослабление зависимости импульсной электрической прочности жидкости от давления при уменьшении длительности импульса не противоречит пузырьковой модели зажигания разряда.

6. Экспериментальные зависимости импульсной электрической прочности жидкости от длительности импульса, давления, температуры, диэлектрической проницаемости, вязкости, плотности жидкости, а также "эффект полярности", "эффект площади электродов", кратковременный характер предпробивных процессов при длительном воздействии напряжения находят непротиворечивое объяснение на полуколичественном уровне с единых позиций пузырьковой модели зажигания разряда.

Теоретическая значимость и практическая ценность.

1. Разработана феноменологическая теория импульсной электрической прочности жидких диэлектриков.

2. Проведенные исследования позволили выявить основные процессы, приводящие к пробою жидкости, проанализировать известные способы увеличения импульсной электрической прочности и показать причины их неэффективности.

3. Разработана учебно-исследовательская программа расчета закономерностей нарушения импульсной электрической прочности жидкостей, основанная на физико-математической модели.

Внедрение результатов работы.

Полученные в работе результаты по эффективности использования давления в случае экранирования электродов используются АО «Высоковольтная электрофизика и импульсная техника» при создании совместно с Всероссийским институтом экспериментальной физики при финансовой поддержке «Sandia Laboratories» сверхмощного импульсного емкостного накопителя энергии.

Результаты работы по исследованию поведения гетерогенных сред использованы на ОАО «Завод Композиционных Материалов» при разработке нромышленно выпускаемого электротехнического материала «ЭКОМ» и изделий на его основе.

Подготовленный к печати на основе работы курс лекций по диэлектрическим материалам используется в течение трех лет при чтении лекций на факультете энергетики НГТУ.

Апробация работы.

Основные результаты проведенных исследования докладывались и обсуждались:

на Всесоюзной и Международной школе-семинаре «Физика импульсного разряда в конденсированных средах» (1982, 1985, 1987, 1989, 1991 гг); Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Караганда-1978, Баку, 1982); научных семинарах Институтов Теплофизики, Лазерной Физики и Гидродинамики им. М.И. Лаврентьева Сибирского отделения РАН,

Института Электрофизики Уральского отделения РАН; НИИ Высоких Напряжений при ТПУ. на Международных Конференциях:

- 8, 9, 10 Int. Conferencies on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids (1984, 1987,. 1990 rr);

- 4 Int. Symposium, on High Voltage Engineering, 1983, Athenes, Greece;

- 3-rd Int. Conf. on Properties and Applications of Dielectric Materials, 1991, Tokyo, Japan

- 6-th Int. Conf, on Dielectric Materials, Measurements and Applications, 1992, Manchester, UK.

-2-nd Int. Seminar on Electronics Cooling, Novosibirsk, 1993.

- The Int. Conf. on Pulse Power, Albuquerque, 1995

- Int. Conf. on Electrical. Insulation and Dielectric Phenomena, 1994, Arlington, TX, USA

- Int. Symposium on Electrical Insulating Materials, Tokyo, 1995

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 45 печатных работах, из них 6 авторских свидетельствах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, приложения. Содержание работы изложено на 332 страницах, иллюстрировано 66 рисунками и 5 таблицами. Список литературы включает 246 использованных источников. Приложение изложено на 22 страницах.

Во введении рассмотрена актуальность проблемы, сформулированы цель работы и основные задачи исследования.

В первом разделе рассматривается модель зажигания разряда в жидкости. Анализируются несколько различных схем предпробивных процессов, включающих разряд в пузырьке, деформацию пузырька,

достижение критической напряженности в жидкости, когда разряд переходит в жидкость.

Во втором разделе исследовано поведение жидкости под действием импульсных электрических полей, в частности возникновение электрострикционных волн в неоднородных полях, проанализированы приэлектродные процессы, электропроводность, влияние объемного заряда на распределение поля и давления в приэлектродной области.

В третьем разделе исследовано поведение пузырьков в электрическом поле. Показано, что электрическое поле, само по себе, препятствует образованию пузырьков. Рассмотрено поведение предпробивных пузырьков, в частности их движение и релаксация в предпробивных условиях

В четвертом разделе рассчитываются классические пробивные зависимости электрической прочности от длительности импульсов, давления, температуры, влияние площади электрода и эффект полярности.

В пятом разделе описываются вопросы практического применения рассматриваемой теории, в частности анализ способов увеличения импульсной электрической прочности, приложение теории к случаю длительного воздействия напряжения.

В заключении обобщены результаты работы. В приложении описывается учебно-исследовательская компьютерная программа расчета импульсной электрической прочности жидкостей, приведены данные о внедрении результатов.

Основное содержание работы.

В первой главе рассматривается модель зажигания разряда в жидкости. Анализируются несколько различных схем предпробивных процессов, основанных на пузырьках. Одним из наиболее принципиальных моментов

является доказательство возможности существования пузырьков в жидкости до воздействия электрического поля. Анализируются возможности существования микропузырьков в порах электродов и частиц, за счет адсорбированных молекул. Кроме того, в ряде случаев возможна кинетическая устойчивость пузырьков, например в вязких жидкостях.

На основе анализа сделан вывод о том, что обычно в условиях экспериментов по импульсному пробою, в жидкости, в особенности на электродах, постоянно существуют микропузырьки. Этот вывод сделан на основе оптических экспериментов, проведенных в институте гидродинамики СОРАН, по изучению поведения пузырьков в воде, которые показали, что в дистиллированной, отфильтрованной воде стационарно существуют, по крайней мере в течение полугода, пузырьки микронных размеров.

В случае тщательной подготовки жидкости и электродов микропузырьков может не оказаться на электродах. В этом случае рассматривается возможность образования пузырьков за счет эмиссии зарядов из микроострий. Можно показать, что при эмиссии носителей заряда в режиме тока ограниченного объемным зарядом р03- энерговыделение можно оценить как W » р0,-|1- Е 2Л0К-1 - е0-Е-ц-Е3лок-Й"лм;, а давление вблизи

У'г

микроострия как Р = Рои,--—. Здесь ЕЛОк - приэлектродная

напряженность, при которой ток переходит в режим ТООЗ. Оценки по этим выражениям приводят к выводу, что при достаточно высокой Еяок в микрообласти должны возникать и перегрев и кавитация у микроострий, т.е. образование микропузырьков возможно и во время действия импульса напряжения.

В базовой модели считается, что на поверхности электродов существуют пузырьки любых размеров. Пробой осуществляется при достижении на размере пузырька напряжения ир=300 В. Считается, что

10

пробой осуществляется по таунсендовскому многолавинному механизму. Для импульсного пробоя важно появление инициирующих электронов и время формирования многолавинного разряда. Можно показать, что при разряде в приэлектродных пузырьках инициирующие электроны могут появиться за наносекундные времена по нескольким механизмам. В то же время, при разряде в свободных пузырьках появление инициирующих электронов маловероятно. Время развития пробоя приэлектродных пузырьков может быть достаточно малым при незначительном превышении напряжения над кривой Пашена.

После разряда поверхность пузырька заряжается осевшим зарядом Кулоновская сила растягивает пузырек в направлении поля. Заряд внедряется в жидкость, на пузырьке восстанавливается напряжение, снова следует пробой, новая волна зарядов в жидкости и т.д. Деформация пузырька приводит к появлению вблизи его полюсов усиленного поля. Критерием пробоя считается достижение некоторой критической напряженности. Рассматривается и другой вариант, когда заряд прилипает к стенке, и он движется вместе со стенкой. По-видимому этот случай близок к случаю зажигания разряда в пузырьке, расположенном на поверхности анода.

Эквивалентное давление на стенку пузырька, приводящее к его удлинению в направлении поля

/>= Зс0сЕ 2(^т/г + 1 )/2 (1.1)

где ц - подвижность носителей заряда, т - промежуток времени от начала действия импульса, г - радиус пузырька. В выражении (1.1) важную роль играет величина г. Видно, что уменьшение г должно приводить к большему давлению на стенку пузырька, его большей деформации и следовательно, к более раннему зажиганию разряда. Наименьшему размеру пузырька, при котором возникает разряд, отвечает падение напряжения на нем ир. Поэтому

2 {П О-3)

наиболее опасным, с точки зрения электрического пробоя, будет пузырек размером

гс= ир(2е+1 )/6еЕ (1.2)

В обычных условиях элеетрического пробоя жидкость не дегазирована и в ней, преимущественно на электродах, существуют пузырьки разных размеров, в том числе и критического, которые и определяют электрическую прочность. Поэтому в выражении (1.1) неизвестное г заменим определенным гс и получим выражение для среднего давления на стенку пузырька :

Зе0 ■ е- Ег гЬе-ц-Е1 ■ / кир-{2с + \)

В расчетах динамики пузырька пренебрежем его несферичностыо, полагая, что на стенку действует давление Р^. Уравнение движения стенки пузырька для этого случая можно написать по аналогии с известным уравнением движения стенки пузырька под действием разности давлений:

*аг+2{А} \-Rdt р-я~ 0-4>

Уравнение (1.4) является базовым уравнением модели и оно позволяет рассчитать численными методами рост пузырька при действии разряда в нем, получить зависимость времени роста от внешних условий и свойств жидкости для различных видов пузырьков в жидкости и на электродах. Для этого, математическая модель должна учитывать следующие силы, действующие на пузырек: действие электрического поля, давление в жидкости за счет электрострикции и т.п. Полученное уравнение роста пузырька позволяет получить аналитически оценки предпробивного времени при ступенчатом напряжении ( только для модели пузырька, стабилизированного ПАВ). ' 3 ь-^Е-Е2

ЕСЛИ Рои, - Р.--4-+ ДР. - Д^, + Ра > О

, (2C+X)P-U> l^E* <2*+1 )U 2 Ье0егц-ЕА \{2c + \)Up{ 6e-E

В случае обратного неравенства

(1.5а)

/-, =

(2e+\)p-Up

6е„е ц • Е

9 s0S2E4 (2e+l)U,

2

(Л-

+ 3 6е-Е 1

+ у,\Р-

V р ■ F2 Р. - ' + АР. - &Р„ + /'„

(1.56)

Для других

случаев следует численно решать базовое уравнение.

На рис.1.1 показано усиление поля в жидкости, считая пузырек проводящим эллипсоидом вращения с отношением полуосей И/гс. Как видно, электрическое поле у полюсов пузырька резко усилено Е= ЕоК. Рассматривается и другой вариант пузырька в виде полуцилиндра, опирающегося на поверхность электрода. Ясно, что рост поля не может быть безграничным, т.к. ионизационные процессы начнут происходить и в жидкости. Критерием зажигания разряда в жидкости будем считать достижение некоторой критической напряженности, верхней оценкой которой может служить значение Е,„ ~10'чВ/см.

Анализ показывает, что предпробивное время зависит от внешних факторов: давление, температура, параметров импульса напряжения, свойств жидкости в, р, с, т|.

£ 3 60

g с 50

W * 40

3- 1 30

123456789 10 Удлинение эллипсоида R/r

Рис.1.1 Усиление поля при удлинении

эллипсоида

Во второй главе рассматривается электрогидростатическое равновесие

жидкости в электрическом поле в зависимости от конфигурации

13

электрического поля, граничных условий, наличия и распределения объемных зарядов.

В импульсных условиях установление равновесия происходит за счет образования элекгрострикдионных волн, впервые предложенных и

обнаруженных автором. Динамика волн

рассчитывается для двух случаев: уединенный сферический электрод и коаксиальная система электродов. Характерной особенностью электрострикционных волн является наличие области отрицательного давления, которая распространяется от электрода со скоростью звука.

В коаксиальной системе электродов отражение волн от электродов приводит к возникновению незатухающих колебаний. Ясно, что в моменты минимального давления у электродов зажигание разряда с них предпочтительно.

Важную роль в поведении жидкостей играет наличие объемных зарядов. В этом случае распределение электрического поля меняется, напряженность ослабляется у электродов, если в приэлектродной области образуется гомозаряд, и усиливается за счет гетерозаряда. Поскольку на объемный заряд действуют кулоновские силы, их действие' передается на жидкость, механическое равновесие жидкости может достигаться только за счет градиента давления в жидкости. Это приводит в случае эмиссии зарядов электродом к отрицательным давления в приэлектродных областях жидкости и к возникновению электрогидродинамических неустойчивостей.

I \2 2И ! 2,6 ; 2|8 3

Б«1рим«рныЯ рвдус г'гО

. Стационар. 1 распред.

Рис. 1. Динамика элекгрострикционного давления у сферического электрода при импульсном воздействии напряжения.

--------j^rVTrCr^KPir?

—I—I

^TT'Hrf^V'f-frFfTIS'fPl-trrTI'^f'i-T^'fr?/?

pis .Ф C15 02 . 025 03 (¿b 04

- i

Рис. 1.2. Распределение давления в приэлектродной области, где расположен однородно распределенный гомозаряд. Верхняя кривая e0sE2/2 = Pout, средняя кривая е0еЕ2/2 = 4-P0Ut, нижняя кривая 8оеЕ2/2 = 10-

Предлагается новый механизм образования двойных электрических слоев и приповерхностной электропроводности за счет действия сил изображения. Для диссоциации вблизи поверхности нужно учесть силу, действующую на удаляющийся электрон (или ион) со стороны кажущегося противозаряда второго иона. С учетом этого энергия ионизации уменьшается и для случая разделения зарядов в плоскости первого слоя молекул она составит Wis =2/3Wj. Очевидно, что уменьшение энергии диссоциации является сильным фактором. Дело в том, что концентрация носителей экспоненциально зависит от энергии ионизации (диссоциации). Поэтому уменьшение энергии диссоциации на одну третью часть может привести к росту концентрации на несколько порядков. Это означает, что вблизи поверхности значительно легче происходит ионизация, следовательно там больше концентрация носителей заряда и выше поверхностная электропроводность.

Таким образом, в зависимости от ряда условий: параметров импульса напряжения, электродной системы, наличия ионизирующихся примесей и т.п. значение давления в приэлектродной области может меняться в значительных пределах, что является важным фактором в пузырьковой модели зажигания разряда.

В третьей главе исследуется поведение пузырьков в сильных электрических полях.

Из условия механического равновесия пузырька под действием электрического поля с учетом электрогидростатического равновесия жидкости вблизи пузырька получено выражение для относительной разницы размеров пузырька вдоль поля и поперек поля А = (а-Ь)/Ио

Отсюда следует, что значение А > 0, т.е. воздействие электрического поля на пузырек, помещенный в диэлектрическую жидкость превращает его в вытянутый эллипсоид вращения, наибольшая ось которого ориентирована вдоль поля, как это и наблюдается в эксперименте.

Для пузырька в слабопроводящей жидкости

В этом случае пузырек вытягивается в полярной жидкости и сплющивается в неполярной жидкости.

Получено выражение для изменения давления в пузырьке под действием электрического поля

А

8-а-(2е + 1)2

(2.1.)

9 • Дп ' ' Е ^ / \ А^-^Г—(-3,2)

(2.2)

2а

Р +

АР

Р°!"+ Я0 Ъеь£{Б-\)Е1 , _ ч

4а

Р +

А /V»/ >

>0, (2.3)

д—— рл)

т" 3/?0

из которого сделан вывод, что непосредственное действие поля на фазовый переход эквивалентно дополнительному давлению, т.е. электрическое поле, само по себе, препятствует образованию пузырьков.

2(2е+\) '

Изучение деформации пузырьков в сильных полях приводит к выводу, что пузырьки при удлинении примерно в 3-4 раза являются неустойчивыми относительно деления. Поскольку деформация пропорциональна радиусу пузырька, то оказывается, что большие пузырьки не могут существовать в жидкости при действии электрического поля ввиду их деления на меньшие.

Анализ экспериментов, в которых были зарегистрированы предпробивные пузырьки в нитробензоле и воде под действием импульсов напряжения микросекундного диапазона показывает следующее, Носители заряда и пузырьки движутся в предпробивных полях примерно с одинаковой скоростью 20-50 м/с в поле напряженностью до 1 МВ/см. Если определить значение подвижности, то она не противоречит электрогидродинамическому происхождению. Это означает, что в жидкости, при микросекундных воздействиях возникали элекгрогидродинамические течения.

Рассмотрение времен релаксации предпробивных пузырьков, в частности времени растворения газового пузырька, времени охлаждения пузырька и жидкости, времени схлопывания кавитационных пузырьков показывает, что в условиях экспериментов с водой и нитробензолом при микросекундных воздействиях зарегистрированные пузырьки имели неэлектролизное происхождение.

В четвертой главе рассчитываются согласно модели классические пробивные зависимости электрической прочности от длительности импульсов, давления, температуры и т.п. При этом анализируется случаи, когда основной вклад в предпробивное время I вносят процессы зажигания разряда.

1 = П + 12 + 13 (4.1)

где 1| - время роста пузырька от зародыша до критического размера, 13 - время продвижения канала разряда до противоположного электрода. Поэтому время деформации пузырька отождествляется с предпробивным временем. Это отождествление можно делать для однородного и слабонеоднородного полей и небольших зазоров.

Возможны несколько форм существования пузырьков, поэтому для сопоставления теории с экспериментом необходимо рассмотреть несколько вариантов модели. Наиболее просто проанализировать случай несжимаемого (но имеющего возможность роста) пузырька, для которого можно воспользоваться аналитическим выражением. Непосредственный расчет по формулам (1.5) требует уточнения единственного параметра Ет, характеризующего свойства конкретной жидкости. Подбор параметра можно произвести путем сопоставления расчетного и эмпирического характеров вольт-секундной зависимости. Вольт - секундные зависимости.

Зависимость импульсной электрической прочности жидкостей от длительности импульса неодинакова в разных временных интервалах и связана с различными физическими процессами. При длительностях больше 10*3 с определяющую роль играют медленные процессы, такие как движение частиц, диффузия носителей заряда, развитые ЭГД - течения и т.д. Пробой в области порядка единиц наносекунд и менее, возможно, обусловлен

развитием электронных процессов непосредственно в жидкости. Ниже мы будем рассматривать, в основном, пробой в микро- и субмикросекундном диапазоне, где, согласно нашим воззрениям, основную роль играют процессы, связанные с пузырьками.

Из эмпирических зависимостей наиболее известно выражение,

предложенное Мартином р А

"Л3-Я1710 (42)

где постоянная А зависит от сорта жидкости и полярности инициирующего электрода. Большое количество экспериментов было проведено с гексаном, как модельным образцом неполярной жидкости, поэтому и расчеты проводим для этой жидкости. На рис. 4.1, приведены результаты расчетов с Е„, изменяющемся в диапазоне от 5 МВ/см до 85 МВ/см. Видно, что изменение Ет в широком диапазоне слабо влияет на вид вольт - секундной

характеристики. При подборе зависимости в виде, аналогичном формуле Мартина, т.е. зависимости ///', показатель при 7// меняется в узком диапазоне от 0.27 при Ет=5 МВ/см до 0.31 при Ет=85 МВ/см. Если подбирать по этому показателю, то наиболее подходящим значением Ет будет 85 МВ/см, а при подборе по значению электрической

прочности в точке 1 цсек (аналог константы А), Ет будет 5 МВ/см. Ниже, в расчетах, обычно использовали в качестве критической напряженности 10 МВ/см.

1ДЕШ

♦ 5И/0СМ

|10Шм д25Шсм ХЭЭШсу ж85Шсм

Нхргиснносгьполя, МЕУсм

Рис.4.1. Вольт-секундная зависимость гексана при разных значениях Ет.

Другой вариант пузырька, а именно сжимаемый пузырек, представляется более реалистичным. Кроме того, этот вариант позволяет рассчитывать характеристики зажигания для пузырьков разных размеров, не только для критических пузырьков. Расчет этого варианта более сложен, необходимо решать дифференциальное уравнение второго порядка. Расчет проводился с помощью специально разработанной программы «ВиЬЬгеак»,

реализующей метод Рунге-Кута-Мерсона.

Представляет интерес рассчитать импульсную электрическую прочность для

пузырьков больших размеров и убедиться, что они приводят к более позднему

зажиганию разряда. Расчеты выполнены для пузырьков в гексане двойного и тройного радиусов по отношению к наиболее опасному (рис.4.2). Видно, что в малых полях или при больших временах воздействия поля кривые для пузырьков разных размеров практически сливаются. В субмикросекундном диапазоне наиболее опасный ггузырек приводит к значительно меньшим временам пробоя.

Рис.4.2. Расчет ВСХ для инициирующих пузырьков различных размеров.

Еще одним моментом модели, требующим уточнения, является следующий. Неявно предполагается, что при росте пузырька вдоль

направления поля, его поперечный размер не меняется. На самом деле он может уменьшаться, т.к. деформирующая сила действует в направлении поля и удлиняет пузырек в этом направлении, в поперечном направлении действуют слабые схлопывагощие силы за счет внешнего давления и

поверхностного натяжения. Поэтому пузырек может уменьшаться в поперечном размере. В расчетах было предусмотрено два крайних варианта: V^const, т.е. при удлинении пузырька его объем не изменяется и R„= const, т.е. при удлинении поперечный размер не меняется. Результаты расчета приведены на рис.4.3. Видно, что характеры зависимостей принципиально не меняются, только в случае V^const электрическая прочность меньше и показатель в степенной зависимости достигает 0.33. Однако, в этом случае должна практически исчезать зависимость электрической прочности от внешнего давления, что не соответствует экспериментальным фактам. Ниже в расчетах будем рассматривать R„= const.

Представляет интерес рассчитать вольт-секундные зависимости для различных жидкостей с изменяющимися в широких пределах такими свойствами жидкостей, как диэлектрическая проницаемость, вязкость и т.п. На рис.4.4 приведены расчетные кривые для ряда жидкостей с различными электрофизическими характеристиками, причем в расчетах считаем R„~ const к Е„, =107 В/см.

I 1.0Ю8

с 1,СС&07

1.И&ОВ 1ДВСВ

НзгряялютьгстцВ'м

Рис.4.3. Варианты деформации пузырьков.

4

1Е-3 100Е-6 10Е-6 8 1Е-6 100Е-9 10Е-9 -1Е-9

0,1

Напряженность поля , МВ/см

Рис.4.4. Расчетные вольт-секундные зависимости для различных жидкостей.

Видно, что вольт-секундные зависимости имеют подобный характер Е ~Г", где п=0.33 для воды и этанола, 0.29 для гексана и 0.4 для глицерина. При этом можно наблюдать явную зависимость электрической прочности жидкостей от диэлектрической проницаемости и от вязкости. Если исключить из анализа глицерин, то то рис. 4.4 видно, что большей проницаемости соответствует меньшая электрическая прочность. В случае глицерина, его исключительно высокая вязкость препятствует росту и деформации пузырьков, откуда следует, что достижение требуемой

деформации за одинаковое время воздействия возможно только в случае более высоких полей. Кроме того, это ведет и к более сильному влиянию длительности импульса на пробивную прочность Еь.

В случае лробоя воды сопоставляли расчет по эмпирической формуле

0,1 1

I [агряжннзсть атаярнчзсммо 1юля, МЗЫ

Рис.4.5 Сравнение эмпирической и теоретической зависимостей для воды.

Мартина (полагая площадь электродов 5=1 см2) с теоретической зависимостью. Здесь в качестве критической напряженности Е„, выбрано 10 МВ/см. На рис.4.5 показано очень близкое соответствие, как в характере зависимости, так и в численных значениях для случая пробоя с анода, хотя численное совпадение следует считать случайным, т.к. в модели не учитывались размеры электродов. Влияние давления на электрическую прочность.

Экспериментальные зависимости, касающиеся влияния давления на электрическую прочность имеют особенности, связанные с эффектом полярности и с ослаблением зависимости с укорочением длительности импульса. В явном виде можно рассчитать некоторые зависимости, которые хороню проверяются экспериментальными данными. Влияние длительности импульса на Ен/Р) для жидкого азота. Эксперименты К.УозЬто е( а! по изучению зависимости импульсной электрической прочности от давления для различных жидкостей показали, что в случае сжиженных благородных газов типа ксенона зависимость от

давления при изменении давления до 15

расч 6 мкс

атм. не зарегистрирована для любых длительностей воздействующих

импульсов. По-видимому это указывает на ионизационный механизм пробоя. В то же время при пробое жидкого азота

1 5 Э 13 Давление, атм

МКС

Рис.4.6. Зависимость нормированной электрической прочности от давления для

наблюдалась явная зависимость и в микросекундном (1=6 мксек) и в наносекундном (1=100 нсек) диапазонах,

жидкого азота при длительности импульсов 6 мксек и 0.1 мксек.

причем с укорочением времени экспозиции эта зависимость ослабляется. Точки на рис.4.6

показывают эти особенности пробоя жидкого азота. Расчеты были выполнены при следующих параметрах. Пробивное напряжение на пузырьке было увеличено до 1000 В ввиду роста плотности газовых пузырьков при температуре сжиженного азота 88 К. Критическое поле было также увеличено до 20 МВ/см. Сплошными линиями на рис. 4.6. показаны результаты расчета, откуда видно, что все экспериментальные особенности представлены в расчетной модели.

Зависимость предпробивного времени от давления при пробое гексана. Эксперименты Климкина по пробою межэлектродного промежутка в гексане в однородном поле с регистрацией предпробивного времени показали, что

нормированное предпробивное время, т.е.!([')'!( 1 атм.) практически линейно зависит от давления при его изменении от 1 до 15 атм. Данные экспериментов для полей 1.3 МВ/см, 1.6 МВ/см, 1.9 МВ/см показаны на рис. 4.7. Расчеты для этих полей в виде сплошных линий представлены здесь же. Как можно увидеть расчеты показывают зависимость, близкую к линейной и удовлетворительно соответствуют данным. Последняя зависимость, которую следует рассчитать - это вольт-секундная зависимость для Рис.4.8. ВСХ гексана при различных различных давлений. Расчеты для давлениях. гексана при £„,=10 МВ/см и

Рис.4.7. Нормированное предпробойное время

давлении 1, 5, 10 атм. показывают, что в случае разных давлений изменяется наклон прямых, графики сливаются в области больших напряженностей поля.

Имеется экспериментальная работа Као-МсМаА по измерению зависимости электрической прочности гексана и предпробивного времени от

крутизны косоугольного импульса. Этот эксперимент, в котором

зарегистрировали, что предпробивное время перестает зависеть от

давления, при крутизне импульса ШАх > 4 МВ/(см.мкс),

считается классическим свидетельством перехода от пузырькового механизма зажигания разряда к «чисто» электронному механизму при достижении определенной напряженности поля. На рис. 4.9. приведены результаты расчета в сопоставлении с экспериментальными данными. Видно, что экспериментальные данные, полученные при 0.1 МПа (крестики) и при 1.5 МЛа (черные кружки) сливаются при увеличении крутизны выше 4 МВ/(см-мкс). Пузырьковая модель дает практически те же значения.

8.

Т

9 1 |

=1 = [Г

I

|

1г

V 1

||( 11

01 атм (раем) о 15 атм (расч) ж 1 атм (эксп) • 15 этм (эксп)

0,1 1 10 Крутизна импульс«, МВ/(см мке)

Рис.4.9. Предпробивное время при пробое гексана на косоугольной волне напряжения при давлении атм и 1 атм..

АЕ.МВу'см

Тенпетятура, АС ЗвЬисииасто »пеитричеснаи прочности а* температур* при рв^лмчпыч Злителс Ж^ВЙм.!: 2-1- 1П6 «-с

Рис. 4.10. Зависимость импульсной электрической прочности глицерина от температуры. Кривые рассчитаны для длительности импульса 1 мкс и 10 мкс, считая сверху вниз.

В расчетной модели электрическая прочность зависит от температуры через температурную зависимость свойств жидкости, а именно вязкости, давления насыщенных паров, поверхностного натяжения, диэлектрической проницаемости. В настоящее время в программе «ВиЬЬгеак» реализован учет наиболее сильно меняющихся параметров - вязкости и давления насыщенных паров для стандартного набора жидкостей: гексана, воды, глицерина и трансформаторного масла.. В модель были введены эти зависимости, причем при расчете зависимостей у разных жидкостей учитывались для расчета разные параметры: у гексана и воды учитывалось только РИ(Т), т.к. их вязкость мала и ее роль невелика; у трансформаторного масла и глицерина учитывалось только влияние вязкости, у них давление насыщенных паров мало и не вносит заметного вклада в предпробивное время.. Результаты расчета для глицерина приведены на рис. 4.10. Видно, что температурная зависимость для вязкой жидкости не ослабевает с укорочением импульса. Для маловязких жидкостей Е(Т) ослабляется с укорочением импульса.

Анализ эффекта полярности при пробое жидкостей позволяет выявить несколько основных составляющих, приводящих к различию предпробивных времен при пробое с катода и анода. Во-первых, скорость анодного стримера намного выше скорости катодного стримера. Во-вторых, считается, что эмиссия из катода предпочтительна, значит зажигание разряда в катодном пузырьке происходит в более слабом поле, и деформация происходит более медленно. В-третьих, в анодном пузырьке, после разряда ионы должны прилипать к поверхности, а в катодном пузырьке электроны должны проходить вглубь промежутка. В-четвертых критическая напряженность зажигания разряда у катодного и анодного пузырьков может отличаться. На

4.11

1.00Е-03

1.00Е-08

1.00Е+07 1.00Е+08 1.00Е+09

Напряженность поля, В/м

Рис. 4.11. Возможности учета эффекта полярности в гексане за счет разной критической напряженности и разных механизмов взаимодействия носителей с поверхностью пузырька.

рис. приведены результаты расчета зажигания разряда в гексане при учете последних двух факторов. Видно, что пузырьковая модель может приводить к

различным временам зажигания в случае катодных и анодных пузырьков.

Зависимость электрической прочности от площади электродов.

Согласно модели зависимость импульсной электрической прочности жидкостей от площади электродов обусловлена статистическим характером появления пузырьков различного размера на поверхности электродов в момент инициирования разряда. Грубо оценить влияние площади электрода можно следующим образом. Если взять плотность вероятности распределения пузырьков по размерам ](г) и считать, что они равномерно распределены по площади электродов с плотностью п, то число пузырьков размером от г до пх1г составит с1Ы - п Н ](г)йг. В качестве первого приближения можно попробовать использовать логарифмически нормальное распределение. Это распределение описывает размер частиц при дроблении. Если считать, что дробление происходит по неоднородностям, расположенным на поверхности частиц, а операции дробления и механической обработки электродов имеют сходные черты (скол, разлом, наличие межкристаллитных границ и т.д.) то распределение неоднородностей по размерам выступов или впадин (пор) на поверхности можно считать аналогичным распределению частиц при дроблении. В свою очередь, распределение неоднородностей на поверхности приводит к распределению пузырьков по размерам. Это относится к пузырькам, расположенным в порах. С другой стороны, если принять возможность образования микропузырькоЕ при микропробоях вблизи микровыступов, то распределение микровыступов по размерам приведет и к распределению пузырьков по размерам.

1 . 1п (г I г „ „ )

/«=(2 -я СХР(--Г^-> (4-3)

где гт, - логарифмически средний размер пузырька, а - логарифмическая

дисперсия. Подставляя в (4.2) получим после преобразований

5 =__*__(4-4)

\п(гс1гт) И ■ (1 - —^Н)

2 • <т

где ег^х) - интеграл вероятностей. Значение гс зависит от электрического ноля в соответствии с (1.2), тем самым проявляется зависимость электрической прочности от площади электродов.

Для математического анатиза можно представить и рассмотреть различные случаи. На рис. 4.12 в логарифмическом масштабе представлены предполагаемые зависимости для случая г/ гт в диапазоне 1000/10 и Это означает, что размер опасного пузырька в 10 - 1000 раз превышает средний размер пузырька и распределение пузырьков достаточно "узкое". ё 5

х г ? 0

а

1,6 1 .4 1.2

0.6 0,4 0.2

ч

>п.........

Рис.4.12. Расчетный характер зависимости электрической прочности от площади электрода.

Логарифм площади, отк.ед.

О последнем предположении трудно сказать что либо определенное, первое предположение представляется непротиворечивым. Если "опасный" размер пузырька находится в диапазоне единиц и десятков микрон для полей 1 МВ/см - 100 кВ/см, то представление о гс в диапазоне долей микрон вполне вероятно. Анализ кривой показывает, что практически в любом диапазоне напряженностей, зависимость Е(Б) можно представить степенной функцией со слабо меняющимся показателем - . Причем зависимость

ослабляется с ростом 5 . Для больших 5 показатель к ~ 10 и даже больше, для малых 5 показатель меньше 10. Это не противоречит экспериментальным зависимостям, т.е. пузырьковая модель может объяснить и эффект площади.

Таким образом, проведенные расчеты показывают соответствие теоретических зависимостей известным эмпирическим зависимостям: формуле Мартина, эффекту площади и другим зависимостям.

В пятой главе описываются вопросы практического применения разработанной теории. В первую очередь это касается способа увеличения импульсной электрической прочности жидкостей за счет создания полупроводящих слоев у электродов. Анализируются силы, действующие на пузырек в приэлектродной области и падение напряжения на пузырьке. Показывается, что пузырек растет в зоне ослабленного поля и в нем ослаблены ионизационные процессы. С другой стороны на пузырек

действуют

2.0

1.0 0.8

0,4

о.г

Е:МВ/см

2 I

—Ч

1

N

\ ч

\

ч

-7 г 4 с 10 -б г 1 10 10 ь •

Рис. 5.1. Расчет ВСХ воды при учете возможной эмиссии носителей при напряженности 0.2 МВ/см или 0.3 МВ/см. Звездочкой отмечены данные ИЯФ по пробою с «диффузионными электродами.

30

растягивающие кулоновские силы. В этом случае (и только в этом случае) из

предлагаемой теории следует, что эффективной мерой повышения _ напряженности

зажигания разряда

является

давление, которое

не позволяет образовываться и расти пузырькам.

Вариант зажигания разряда в ослабленном приэлектродном поле был рассчитан на ЭВМ. Считалось, что вблизи электрода напряженность поля равна средней напряженности примерно до тех пор, пока она не составит 200 или 300 кВ/см, при превышении средним полем этого значения происходит эмиссия зарядов, но приэлектродное поле сохраняет свое значение. Результаты расчета для воды приведены на рис.5.1. Здесь же приведены экспериментальные данные ИЯФ СОРАН по пробою воды с «диффузионными» электродами. Видно, что качественное соответствие имеется, в частности ход кривых E(t) в расчете и эксперименте повторяют друг друга, включая изменение наклона кривых при переходе к более высоким напряженностям.

Идея увеличения плотности запасаемой энергии за счет увеличения диэлектрической проницаемости жидкой среды состояла в добавлении в диэлектрическую жидкость мелкодиспергированной керамики с высокой диэлектрической проницаемостью. При этом предполагалось, что и импульсная электрическая прочность также будег высокой, т.к. образование и рост пузырьков в структуре с повышенной макроскопической вязкостью будет затруднительно. Кроме того, тиксотропность композиций затруднит рост пузырьков.

Использовались такие жидкости, как трансформаторное 6=2.2 и касторовое масла е=4.2 , дибутилфталат s=7, циклогексанол s=15, сульфолан с=40. Твердый наполнитель представлял собой порошок сегнетокерамики с размером частиц 2-3 мкм. Его диэлектрическая проницаемость составляет 10000.

Диэлектрическая проницаемость композиций является наиболее повторяемой и контролируемой характеристикой. Она нелинейно возрастает с ростом концентрации твердой фазы, достигая примерно

31

десятикратного значения по отношению к жидкости. Для объемного содержания керамики 50%, когда композиция еще сохраняет текучесть диэлектрическая проницаемость смеси в пять раз превышает диэлектрическую проницаемость жидкости. Удельное сопротивление ведет себя более сложно, примерно в этом диапазоне наблюдается минимум удельного сопротивления. Электрическая прочность композиций с объемной долей керамики 50% зависела от диэлектрической проницаемости среды. Для смеси на основе трансформаторного масла при действии импульсов с фронтом 5 мкс и спадом импульса 100 мкс она составляла 500 кВ/см, уменьшаясь примерно до 140 кВ/см для смеси на основе сульфолана.

Анализ зависимостей диэлектрической проницаемости от концентрации твердой фазы и диэлектрической проницаемости жидкости показывает, что матричная формула Нильсена дает блестящее совпадение с экспериментом. Что касается удельного сопротивления, то формула Нильсена сильно не соответствует экспериментальным данным. Объяснение явлению достаточно тривиально, т.к. в теории обобщенной проводимости отсутствует поверхностная проводимость твердой фазы. Фактически учитывается только геометрический фактор, связанный с уменьшением объема электропроводной части среды. В реальных условиях, как уже указывалось выше, в главе 2, наличие разветвленной поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью приводит к увеличению электропроводности. Два конкурирующих фактора, зарождение ионов и затруднения для их движения приводят к тому, что при малых концентрациях большую роль играет первый фактор, а при больших конценграциях - второй фактор.

При анализе электрической прочности в первую очередь выявились два фактора. Во первых, ясно, что в композициях существовало большое количество микро- и макропузырьков. Удалить их вакуумированием из

вязкой смеси представляется маловероятным. Попытки воздействовать давлением также не могут привести к нужным результатам, поскольку в смеси неизбежно существовали агломераты частиц и пузырьков, в которые давление слабо проникает. Поэтому газовые пузырьки трудно как извлечь из композиции так и растворить в жидкой фазе композиции. Второе обстоятельство, приводящее к низкой прочности - разделение жидкой и твердой фаз. Оно происходит, в основном, за счет седиментации частиц в поле тяжести и электрофореза смеси под действием импульсов напряжения, в результате чего должна появиться прослойка жидкости с малой диэлектрической проницаемостью по сравнению с диэлектрической проницаемостью композиции. Если эта прослойка перпендикулярна направлению электрического поля, то напряженность поля в ней усиливается относительно среднего поля в отношение диэлектрических проницаемостей смеси и жидкости (т.е. примерно в пять раз для 50% смеси). Поэтому, после отстаивания ячейки с композицией электрическая прочность резко уменьшалась. То же самое можно сказать и о многоимпульсных воздействиях.

Расчеты зажигания разряда в этих композициях были проведены согласно пузырьковой модели. В расчетах считались: вязкость среды 1 Па. с, плотность - 3 г/см3 , подвижность - гидродинамическая, диэлектрическая проницаемость в соответствии с измеренными значениями. Хотя количественного совпадения с экспериментами нет (и не могло быть в силу отсутствия в модели информации о технологии), качественно результаты расчета, а именно низкие значения электрической прочности и их изменение с переменой жидкости в смеси соответствуют экспериментальным данным.

При длительном воздействии напряжения неустойчивости пузырька приводят к ограничению фактического времени действия разрядов внутри него, что дает конечную величину электрической прочности. С другой

стороны, кратковременность действия неустойчивости приводит к тому, что даже при длительном воздействии напряжения разряд происходит кратковременно. Это объясняет известный экспериментальный факт, заключающийся в том, что предпробойное нарастание тока длится не более нескольких микросекунд, даже при действии постоянного напряжения.

^неует

(5.1)

Зависимость 1неусг от напряженности в виде Е гораздо слабее, чем зависимость Е'3, характерная для предпробойного времени. Ясно, что всегда существует достаточно большое поле, в котором г11е>ст > а также существует достаточно слабое поле, когда Тцеуст ■ Поэтому неустойчивость должна сказываться в малых полях и больших временах воздействия, а в сильных полях она не должна сказываться. Это приводит к некоторым важным следствиям.

Во первых, это означает, что электрическая прочность по мере удлинения импульса напряжения перестает падать и выходит на постоянное значение. Несложно понять, что характерная минимальная электрическая прочность должна примерно соответствовать условию 12(ЕМШ1) ~ тНсуя(Бюш)-Некоторое, слабое уменьшение прочности при длительном воздействии может быть связано либо со случайностью процессов деления пузырьков, зажигания разряда в них, либо с протеканием более медленных процессов: перераспределением электрического поля, слиянием пузырьков, влиянием частиц и т.п.

Во вторых, это означает, что электрическая прочность и при длительном воздействии напряжения определяется быстрыми процессами. Эксперименты показывают, что действительно, даже при длительном воздействии постоянного напряжения не наблюдается медленного развития

предпробивных процессов, предпробивные процессы всегда развиваются за микро- и субмикросекундиые времена.

Перфторированные органические соединения были выбраны для исследований поведения жидкостей под действием сильных электрических полей потому что с их помощью можно смоделировать практически идеальный диэлектрик: чрезвычайно низкая электропроводность, чрезвычайно высокая химическая инертность, отсутствие реакций с электродами. Кроме того, достоинствами перфторуглеродов являются негорючесть, нетоксичность, низкая вязкость, высокое давление пара, отсутствие запаха, прозрачность, химическая инертность по отношению к металлам, пластмассам, что делает их удобными в эксплуатации.

Высоковольтные измерения электропроводности показали, что она увеличивается примерно в 100 раз при росте напряженности электрического поля до 250 кВ/см. Оценки по пузырьковой модели, связанные с ионизацией в пузырьках, отрывом от электродов и передвижением в промежутке заряженной половинки пузырька не противоречат экспериментальной зависимости. Электрооптические измерения показали, что электрическое поле остается однородным вплоть до напряженности 250-300 кВ/см.

Проведенные исследования электрической прочности перфтортриэгиламина с электродами из нержавеющей стали, стали-3, дюралюминия при напряжении до 250 кВ и энергии в диапазоне до десятков джоулеГ! показали перспективность использования перфтортриэтиламина в качестве жидкого диэлектрика.

Экспериментально показано на примере фторорганических жидкостей, что только совместное действие дегазации, фильтрации и удаление ионогенных примесей дают возможность получения высокой электрической прочности. Максимальные значения напряженности пробоя достигали 600 кВ/см при действии постоянного напряжения.

В заключении делается вывод о решении поставленной задачи, новизне полученных результатов, обобщении данных по целой серии экспериментов и создании , тем самым, теоретических основ зажигания импульсного электрического разряда в жидкостях.

В приложении описывается компьютерная программа изучения закономерностей импульсного электрического пробоя жидкостей. В программе производится выбор вида воздействующего напряжения, электродной системы, условий на электродах, вида жидкости (из библиотеки или ввод новой), давления и температуры, длительности импульса, времени роста пузырька при различных условиях. Программа написана на языке Турбо-Паскаль и включает в себя следующие блоки:

- теории и помощи;

- расчета предпробивного времени в зависимости от давления, напряженности поля, температуры, размера пузырьков t(E,P,T,ro) путем численного решения дифференциального уравнения второго порядка;

- обработки рассчитанных данных с целью получения нужной зависимости E(t) | р,т,г , Е(Р) | ,.т>г, t(E) | р.т, , t(P) | е,т,г , Е(Т) I р,Е,г, t(r„) I ад;

- построения графиков в линейном или логарифмическом масштабе;

- ввода данных (выбор жидкости из библиотеки, установка параметров расчета и вывода) , выбора требуемых зависимостей (он основан на системе меню, "выпадающих" подменю и управлении с помощью мыши);

- демонстрационный блок, в котором можно увидеть на экране пузырьки различного размера и явления, происходящие в них, вплоть до электрического пробоя промежутка;

- работы со студентом, предполагающий регистрацию, сохранение исходных и полученных данных (в графическом виде, файл ХХ.рсх).

Исследователь, или студент может провести исследования при различных условиях и получить соответствующие зависимости, выдать графики на печать, обработать данные, если в этом есть необходимость. Таким образом можно не только обучать студентов, но и получать оценки электрической прочности и т.д. Программа может стать инструментом исследователя и проектировщика.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Коробейников С.М. Яншин Э.В Овчинников И.Т. Электрооптическое устройство. Авторское свидетельство N 509140, 3 стр.,1976 г.

2. Коробейников С.М. Устройство для измерения параметров пассивных электрических элементов. Авторское свидетельство N 636963 , 3 стр., 1976 г.

3. Коробейников С.М. Деформация пузырьков в электрическом поле. Тез.докл. Всес.конф. по физике диэлектриков. 2 стр. Караганда, 1978 г.

4. Коробейников С.М. Яншин Э.В. Яншин К.В. Исследования импульсных предпробивных полей в нитробензоле с помощью эффекта Керра. Тез.докл. Всес.конф. по физике диэлектриков 2 стр Караганда 1978 г.

5. Коробейников С.М. Электрострикционные волны в неоднородных полях. Депонированные рукописи 1979 г. N5 (91) 7 стр. Информэлектро N 6-д/79

6. Коробейников С.М. Деформация пузырьков в электрическом поле. Инженерно-физический журнал т.36, N 5, с.882, 1979

7. Коробейников С.М. Влияние электрического поля на точку кипения жидкостей. Инженерно-физический журнал т.41, №6, с. И 31, 1981 г.

8. Коробейников С.М. Яншин Э.В. Предпробивные процессы в жидкой изоляции у острийных электродов,- Тез.докл. Всес.конф. мол. ученых, 1 стр. Информэнерго, 1982

9. Коробейников С.М. Татьянина Т.Д. Методика изучения природы предпробивных пузырьков. Тез.докл. Всес.конф. мол. ученых, 1 стр. Информэнерго, 1982 г.

10. Коробейников С.М. Причины образования предпробивных пузырьков в нитробензоле Тез. докл. Всес. конф. по физике диэлектриков 3 стр. Баку,

1982 г.

И. Коробейников С.М. Яншин Э.В., Овсянников А.Г., Яншин К.В., Гольцов В.А. Исследование диэлектрических характеристик и электрической прочности сегнетоакгивных жидкостей. Тез. докл. Всес. конф. по физике диэлектриков 3 стр. Баку, 1982 г.

12. Коробейников С.М., Яншин Э.В., Яншин К.В., Косырихина С.И. Эффект Керра в нитробензоле в сильных электрических полях. Известия ВУЗов, Физика N И, 1982, 1 стр., (ВИНИТИ, per. №497682,19 стр.)

13. Коробейников С.М., Яншин Э.В., Яншин К.В. Электрооптические исследования эмиссии носителей в резконеоднородных полях. Известия ВУЗов, Физика N3, 1983, 1 стр., (ВИНИТИ, per. №540782, 33 стр.)

14. Коробейников С.М. Исследование предпробивных процессов в жидких диэлектриках при импульсном напряжении. Автореферат дисс. на соискание уч. степ, к.т.н., 19 стр. 1983 г.

15. Коробейников С.М., Яншин Э.В. Динамика электрострикционного давления у сферического электрода. Журн. техн. физики, т.53, в. 10, с.2101,

1983 г.

16. Korobeynikov S.M. Yanshin E.V., Yanshin K.V. Optical investigation of prebreakdown processes in insulating liquids. Proc. 4 Int. Symp. on High Voltage Engineering, 1983, Athenes, Greece, 4 p.

17. Коробейников C.M., Яншин Э.В., Яншин К В., Копылов В.М. Появление электрогидродинамических течений в жидкой изоляции при импульсном

напряжений. Тез.докл. Всее.конф. по электрическому разряду в жидкости. 2 стр. Николаев, 1984 г.

18. Korobeynikov S.M. Yanshin E.V., Yanshin E.V. Space charge and prebreakdown bubbles formation near point electrodes under pulse voltage. Conf. Record of the 8-th Int. Conf. on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids, 1984, Pavia, Italy, 5 p..

19. Коробейников C.M., Яншин Э.В., Яншин K.B. Предпробойные процессы в жидкой изоляции при импульсном напряжении. Сб. статей под ред. акад. Г.А Месяца "Импульсный разряд в диэлектриках". "Наука", Сиб. Отд. 15 стр., 1985 г.

20. Коробейников С.М. Яншин Э.В., Овсянников А.Г., Яншин К.В., Гольцов В.А. Электроизоляционная композиция для импульсных емкостных накопителей энергии. Авторское свидетельство №1238600, 3 стр., 1986 г.

21. Korobeynikov S.M. Yanshin E.V. Model of prebreakdown processes in liquid dielectrics under pulse voltage. Conf. Record of the 9-th Int. Conf. on Cond. and Breakd. in Diel. Liquids, 1987, Salford, GB, 5 p.

22. Коробейников С.М. Яншин Э.В., Копылов В.М. Белокуров Е.М. Электроизоляционная композиция для импульсных емкостных накопителей энергии. Авторское свидетельство №1450647, 3 стр„ 1988 г.

23. Коробейников С.М., Яншин Э.В., Сарин С.Г. Влияние давления на импульсную электрическую прочность жидкостей. Тез. докл. Вссс. конф. по электрическому разряду в жидкости. 2 стр Николаев, 1989

24. Korobeynikov S.M. Yanshin E.V. Bubble model: time dependent pressure effect. Conf.Record of the 10-th Int. Conf. on Cond. and Breakd. in Diel. Liquids, 1990, Grenoble, France, pp. 360-364.

25. Коробейников C.M., Яншин Э.В., Овчинников И.Т., Сарин С.Г., Копылов В.М. Белокуров Е.М., Клепиков А.В, Прохоренко С.В., Шибанов А.П. Способ увеличения импульсной электрической прочности промежутков с жидким

диэлектриком и электроизоляционная композиция для импульсных емкостных накопителей энергии. Авторское свидетельство №1688725, 3 стр., 1987 г.

26. Korobeynikov S.M., Sarin S.G., Yanshin E.V. EHD Instabilities Registration in Liquids. Proc. of the 3-rd Int. Conf. on Prop, and Appl. of Diel. Mat., 1991, Tokyo, Japan, pp. 898-900.

27. Korobeynikov S.M., Sarin S.G. Fluorocarbon Liquid Dielectrics at DC Stresses. Proc. of the 3-rd Int. Conf. on Prop, and Appl. of Diel. Mat., 1991, Tokyo, Japan, pp. 901-904.

28. Korobeynikov S.M. Bubble Model of Pulse Breakdown in Liquids., Proceedings of the 6-th Int. Conf. on Dielectric Materials, Measurements and Applications, 1992, Manchester, UK, pp. 500-503.

29. Korobeynikov S.M., Sarin S.G. and Lipunov N.B. Behaviour of Fluorocarbon Liquids at DC Stresses. Papers of 2-nd Int. Seminar on Electronics Cooling, Novosibirsk, 1993,14-22 July, 10 p.

30. Korobeynikov S.M. Area effect in bubble model of breakdown initiation. 1994 Annual Report of the Int. Conf. on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1994, Arlington, TX, USA pp 785-790.

31. Коробейников C.M., Сарин С.Г. Фурин Г.Г. Электрическая проводимость перфтортриэтиламина при постоянном напряжении. Журнал Прикладной Химии, т.69, в.2, с.321-326, 1996.

32. Korobeynikov S.M., Yanshin E.V., Ovchinnikov I.T.,Yanshin K.V., Sarin S.G., Kopylov V.M., Klepikov A.V. Physical processes limiting the pulse energy release in liquid dielectrics. Conf. Record of Int. Conf. on Pulse Power. Albuquerque, 10-14 July 1995,2 p.

33. Коробейников C.M., Сарин JI.И., Копылов В.М., Белокуров В.М., Царегородцев Н.Г., Вишняков О.В. Электропроводный композиционный

материал "ЭКОМ" и изделия на его основе. Тезисы докл. Межд. конф. " Комгюзит-95", Барнаул, БГУ, 1995, 2 стр.

34. Korobeynikov S.M., Sarin S.G. Lipunov N.B., Furin G.G. HV Conduction and Breakdown in Perfluorothreeethylamine at DC Stresses.- Proc. 1995 Int'. Symposium on Electrical Insulating Materials, paper E-2, 1995 r.

35. Коробейников C.M., Сарин С.Г. Фурин Г.Г. Липунов Н.Б. Электрическая прочность перфтортриэтиламина при постоянном напряжении. I. В кн. Сборник научных трудов НГТУ, из-во НГТУ, 1996, в.2(4), с.93-101.

36. Коробейников С.М. Пузырьковая модель инициирования импульсного пробоя жидкостей. I. Физическая картина. В кн. Сборник научных трудов НГТУ, из-во НГТУ, 1996, в.2(4), с. 101-111.

37. Korobeynikov S.M., Yanshin E.V., Ovchinnikov I.T.,Yanshin K.V., Sarin S.G., Kopylov V.M., Klepikov A.V. Physical processes limiting the pulse energy release in liquid dielectrics. Technical Digest of the Int. Conf. on Pulse Power. Albuquerque, 1996, p.574-579.

38. Коробейников C.M., Сарин С.Г. Фурин Г.Г. Липунов Н.Б. Электрическая прочность перфтортриэтиламина при постоянном напряжении. II. Высоковольтные эксперименты. В кн. Сборник научных трудов НГТУ, из-во НГТУ, 1997, в.3(8), c.l 11-116.

39. Коробейников С.М., Сарин Л.И., Копылов В.М., Белокуров В.М., Царегородцев Н.Г., Вишняков О.В. Электропроводный композиционный материал "ЭКОМ" и изделия на его основе. "Энергетик" №3, 1997, стр.10-12.

40. Коробейников С.М. Пузырьковая модель инициирования импульсного пробоя жидкостей. II. Основные экспериментальные зависимости. В кн. Сборник научных трудов НГТУ, из-во НГТУ, 1997, в. 1(6), с.85-94.

41. Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. I. Предпробивные процессы. Теплофизика высоких температур N 2, 1998 (принята к печати)

42. Коробейников С.М. О роли пузырьков в электрической прочности жидкостей. 2. Сопоставление с экспериментом. Теплофизика высоких температур N 2, 1998 (принята к печати)

43. Korobeynikov S.M., Sarin S.G. Lipunov N.B., Furin G.G. HV DC Electrical Strength of Perfluorothreeethylamine. Russian Journal of Engineering Thermophysics. V. 7,1997

44. Коробейников C.M., Целебровский Ю.В. Диэлектрические материалы.-Учебное пособие. Из-во НГТУ (принято к печати).

45. Korobeynikov S.M. Appearance and behaviour of microbubbles at high electrical stresses. Russian Journal of Engineering Thermophysics. V. 7, 1997 (послано в печать).

46. Korobeynikov S.M., Sinikh Yu.N. Bubbles and Breakdown of Liquid Dielectrics. Proc. of Int. Symp. on Elec. Insul. -Washington, USA, 1998 (принята).

Подписано в печать 22.12.97 г . Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,5. Тираж 100 экз.

Заказ № У_

Отпечатано в типографии Новосибирского Государственного

Технического Университета

630092 Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20

О г 7 а ¿'У^г /9

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Новосибирский Государственный Технический Университет

на прав^рукописи

КОРОБЕИНИКОВ СЕРГЕИ МИРОНОВИЧ

УДК 537.528

ПУЗЫРЬКОВАЯ МОДЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ЖИДКОСТЯХ

Специальность 01.04.13. «Электрофизика»

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск 1997

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 10

1. МОДЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА В ЖИДКОСТЯХ. 26

1.1. Существующие модели зажигания разряда.

1.1.1. Ударная ионизация. 28

1.1.2. Образование пузырьков. 29

1.1.3. Процессы, связанные с пузырьками. 34

1.2. Предлагаемая модель 38

1.2.1. Существование пузырьков 39

1.2.2. Появление пузырьков под действием электрического поля. 42

1.2.3. Инициирование разряда в пузырьке. 46

1.2.4. Роль электрода в инициировании разряда. 50

1.2.5. Механизм разряда в микропузырьках. 52

1.2.6. Частичные разряды в пузырьках. 54

1.3. Математическая модель процессов. 60

1.4. Переход разряда в жидкую фазу. 62

1.4.1. Критерий зажигания разряда в жидкости. 63

1.4.2. Распространение разряда 65

1. 5. Вывод по первому разделу 66

2. ПОВЕДЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ. 67

2.1. Анализ литературных данных по электрострикционному давлению в жидкостях. 68

2.1.1. Электрострикционное давление в жидкости в условиях импульсного пробоя жидких диэлектриков. 68

2.1.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от плотности. 70

2.1.3. Условия электрогидростатического равновесия. 70

2.2. Динамика электрострикционного давления в жидком диэлектрике при воздействии импульсного резконеоднородного электрического поля. 72

2.2.1. Электрострикционная волна у сферического электрода при импульсном воздействии напряжения. 73

2.2.2. Эффект дипольного насыщения и его влияние на предпробивные процессы

в системе острийных электродов. 79

2.2.3. Электрострикционные волны в коаксиальной линии. 86

2.3. Современные представления об электропроводности жидкостей. 97

2.3.1. Появление носителей заряда. 98

2.3.2. Движение носителей заряда. 100

2.4. Приэлектродные явления. 103

2.4.1. Двойной электрический слой. 104

2.4.2. Поверхностная диссоциация. 107 2.4.3 Эмиссия носителей заряда и электродные реакции. 111 2.4.4. Распределение поля в приэлектродной области. 114

2.5. Распределение давления при эмиссии носителей заряда. 116

2.5.1. Распределение давления в случае плоских электродов. 116

2.5.2. Эмиссия и приэлектродное давление в случае резконеоднородного поля. 118

2.6. Выводы по второму разделу 124 3. ПОВЕДЕНИЕ ПУЗЫРЬКОВ В СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ. 126

3.1. Анализ литературных данных по влиянию электрического поля на образование и поведение пузырьков 127

3.1.1. Электростатический механизм образования пузырьков. 127

3.1.2. Деформация пузырька в электрическом поле. 130

3.2. Влияние электрострикции на деформацию и устойчивость пузырька. 133

3.2.1. Линейное приближение . 134

3.2.2. Устойчивость пузырьков. 136

3.3. Влияние электрического поля на образование пузырьков 147

3.3.1. Влияние изменения давления в пузырьке на фазовое равновесие. 148

3.3.2. Расчет давления в пузырьке в случае малых деформаций. 149

3.3.3. Влияние неустойчивости формы пузырька на характер кипения жидкости. 152

3.3.4. Влияние электрического поля на точку кипения жидкости. 153

3.3.5. Влияние электрического поля на метастабильные жидкости. 154

3.3.6. Анализ возможности образования предпробивных пузырьков под действием электрического поля. 155

3.4. Анализ предпробивных пузырьков. 160

3.4.1. Анализ времен релаксации. 160

3.4.2. Деформация движущегося пузырька в электрическом поле. 164

3.4.3. Влияние электрогидродинамических течений. 165

3.5. Выводы по третьему разделу 173

4. РАСЧЕТ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИМПУЛЬСНОГО ПРОБОЯ ЖИДКОСТЕЙ И СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ.

4.1. Вольт - секундные зависимости. 176

4.2. Влияние давления на электрическую прочность. 187

4.2.1. Влияние длительности импульса на Еь(Р). 187

4.2.2. Зависимость предпробивного времени от давления при пробое гексана. 191

4.2.3. Зависимость предпробивного времени от крутизны импульса при воздействии линейно-нарастающего напряжения. 194

4.3. Влияние температуры. 196

4.4. Эффект полярности. 204

4.5. Влияние электропроводности на электрическую прочность. 209

4.6. Зависимость электрической прочности от площади электродов. 211

4. 7. Экспериментальные доказательства модели. 215

4.7.1. Эксперимент, в котором зарегистрировано периодическое импульсное изменение электрического поля. 216

4.7.2. Эксперимент, в котором зафиксирована цепочка пузырьков. 216

4.7.3. Зажигание разряда за счет «большого» пузырька. 218

4.7.4. Эксперименты по оптической регистрации предпробойных процессов в гексане. 222

4.6. Выводы по четвертому разделу 222

5. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕОРИИ. 225

5.1. Анализ возможностей увеличения плотности запасаемой энергии. 225

5.1.1. Увеличение электрической прочности за счет уменьшения поля у электродов. 226

5.1.2. Поведение пузырьков в среде, обладающей проводимостью. 229

5.1.3. Зажигание разряда в приэлектродном пузырьке. 230

5.1.4. Анализ эффективности по давлению. 233

5.2. Исследование диэлектрических сред с повышенной диэлектрической проницаемостью. Ошибка! Закладка не определена.

5.2.1. Диэлектрическая проницаемость. 235

5.2.2. Удельное сопротивление композиций. 239

5.2.3. Электрическая прочность композиций. 242

5.2.4. Анализ результатов экспериментов. 244

5.3. Пузырьковая модель при действии постоянного напряжение. 250

5.3.1. Особенности модели пробоя при длительном воздействии напряжения 250

5.3.2. Исследования фторорганических жидкостей. 255

5.3.3. Электропроводность перфтортриэтиламина. 257

5.3.4. Электрическая прочность перфтортриэтиламина. 268 5.3.5 Анализ полученных данных по электрической прочности 279

5.4. Выводы по разделу. 284

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 286

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 290

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЛ. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ЗАЖИГАНИЯ РАЗРЯДА В

ЖИДКОСТЯХ 311

П.1.1. Состав программы. 311

П. 1.2. Основные блоки. 312

П.1.3. Краткое руководство для пользователя. 313

П.2. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

330

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Рх - давление насыщенных паров

АРТ} - давление, связанное с вязкостью

Ра - давление, связанное с поверхностным натяжением

Ф - энергия связи электрона в отрицательном ионе с «материнской» молекулой а - безразмерное электрострикционное давление (гл. 2) т - время развала отрицательного иона у - вторичный коэффициент ударной ионизации (гл. 1) Г) - вязкость жидкости

8 - диэлектрическая проницаемость жидкости X - длина волны (гл.2)

сг - коэффициент поверхностного натяжения

а - коэффициент ударной ионизации (гл. 1)

у- коэффициентом адиабаты (гл.2)

X - межмолекулярное расстояние

у- отношение осей эллипсоида (гл.З)

д - подвижность носителей заряда

к - теплопроводность

V - частота колебаний электрона

Це - коэффициент умножения лавин Ре - удельное сопротивление

х; - время дрейфа ионов в пузырьке

ЛРЕ - давление электрического поля на пузырек

суб - поверхностная плотность заряда

АУ - потенциал двойного слоя

рж , р - плотность жидкости

Роз - плотность объемного заряда

тр. время растворения пузырька

А, В - константы в эмпирических уравнениях

В - постоянная Керра (гл. 2, 5)

с - скорость звука

(1 - диаметр пузырька

В - коэффициент диффузии газа в жидкости - сред ний коэффициент диффузии ионов ¿Пе/сЙ - число начальных электронов, появляющихся в 1 сек ¿/-дипольный момент молекулы (гл.2) ё„ - межэлектродный зазор е- заряд электрона

Ео - напряженность поля на кривой Пашена (гл. 1) Ет - критическая напряженность поля Р - сила изображения

С - коэффициент деполяризации эллипсоида. Ь - расстояние от заряда до границы раздела двух сред

I - ТОК

) - плотность тока

к- постоянная Больцмана

Кг - коэффициент рекомбинации

п" - концентрация отрицательных ионов

п+ - концентрация положительных ионов

Р- давление

Рра - давление на стенку пузырька за счет разряда в нем

г - радиус пузырька

г0 - радиус сферы (гл.2)

Глок- - радиус микроострия

гс - радиус наиболее опасного пузырька

I - длительность импульса

\г - длительность деформации пузырька

и- максвелловское время диэлектрической релаксации

Тк - температура кипения

и - напряжение

ир, - напряжение пробоя пузырька по Пашену

Ур - средняя скорость распространения канала разряда

- вероятность разряда в пузырьке за счет первичного электрона

- энергия ионизации молекулы ХУц- энергия активации подвижности

Wis" энергия диссоциации вблизи поверхности электрода хдс - толщина двойного слоя

а - минимальное расстояние между ионами при диссоциации Е - напряженность электрического поля Ео -напряженность поля вблизи сферы (гл.2) Еь - электрическая прочность Ее напряженность поля на электроде

К -коэффициент усиления поля в жидкости вблизи полюса эллипсоида К -коэффициент усиления поля вблизи полюса пузырька лок - локальный параметр Ро -равновесное давление в жидкости Pout - внешнее давление Рг - парциальное давление газа в пузырьке С - газосодержание в жидкости Q - емкости конденсаторов (гл. 5) Ср - теплоемкость

Cs - растворимость газа в жидкости, Т- текущая температура

Примечание. Работа синтезирует знания из нескольких областей. Некоторые обозначения являются настолько общепринятыми в определенных областях знания, что приходится повторно использовать одинаковые символы. Везде, где это удобно, использовались индексы у подобных символов. В каждой главе, при первом упоминании, символы дополнительно разъяснялись

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные и теоретические исследования импульсного электрического пробоя жидкостей [1-7] оставляют, вплоть до настоящего времени, немало "темных пятен" в самых принципиальных вопросах, что связано со сложностью объекта изучения, а именно, нестационарностью процессов пробоя, быстротечным характером их протекания, непредсказуемостью места и момента времени пробоя, наличием мощных электромагнитных наводок, мощного импульсного светового излучения широкого спектрального диапазона. Не существует и теории, позволяющей получать оценки электрической прочности из "первых принципов", т.е. из физической картины предпробивных явлений, свойств жидкости и электродов, внешних факторов.

Механизм электрического пробоя жидкостей вначале считался аналогичным механизму пробоя газов, жидкость считалась газом с высокой плотностью [3,6]. Это основывалось на схожести картины разряда и на некоторой схожести разрядных зависимостей. Однако прямое, непосредственное применение газовых аналогий неправильно. Дело в том, что поведение электронов в жидкости кардинально отличается от поведения электронов в газе. Молекулы жидкости расположены столь близко друг другу, столь сильно взаимодействуют друг с другом, что электрон не может свободно двигаться и ускоряться в электрическом поле. В жидкости, кроме особо чистых сжиженных благородных газов, свободные электроны не могут существовать. При попадании свободных электронов в жидкость, они реорганизуют среду, результатом чего является сольватация электронов, затем прилипают к нейтральным молекулам, образуя тем самым, отрицательные сольватированные ионы [8]. Поэтому понятие длины свободного пробега для жидкости невозможно ввести. Грубую оценку принципиальных ограничений электрической прочности Епред можно сделать из следующих соображений. Считаем, что электрон может ускоряться ка протяжении межмолекулярного расстояния. Используя в качестве длины пробега 1ЭЛекг

межмолекулярное расстояние X, -можно получить оценку предельной электрической прочности жидкости еЕпред X =

Подставляя значения X ~ 5-10"10 м, ~ 5 эВ, получим, что Епред~. Ю10 В/м. Эксперименты дают значения на 3-4 порядка меньше.

Применение жидкости в качестве электрической изоляции началось значительно позже аналогичного применения газов и твердых диэлектриков. Физическая причина этого заключается в самой природе жидкого состояния [9,10]. Дело в том, что в жидкости, в отличие от газов и твердых диэлектриков, могут стационарно существовать подвижные носители заряда, ухудшающие изоляционные свойства диэлектрика. Носители заряда в газах, появляющиеся вследствие космического фона, термоионизации или диссоциации имеют возможность быстрой рекомбинации . Появление носителей путем автоэмиссии существенно только в сильных полях. Таким образом, проводимость газового промежутка оказывается незначительной. В твердых диэлектриках, как правило, существует большое количество зарядов, но они либо связаны (электроны, ионы в решетке), либо имеют очень малую подвижность (ионные дефекты, ионы в аморфных материалах). Ионы в жидкостях обладают достаточно высокой подвижностью и во многих случаях их существование в нерекомбинированном состоянии оказывается энергетически выгодным за счет реорганизации жидкости вокруг каждого из ионов, создающей препятствия для рекомбинации. Существование и подвижность ионов в жидкости дают возможность адсорбции их на электродах и создания двойных электрических слоев. Кроме того, на границе раздела "металл-жидкость" происходят электрохимические реакции, поставляющие ионы в изолирующий промежуток. Все это увеличивает проводимость жидкости и потери в ней, и, тем самым, делает применение жидкости менее привлекательным по сравнению с использованием других видов изоляции. В то же время, по мере изучения поведения жидкости в электрическом поле и выработки способов управления свойствами жидкости, выявляются условия, при которых применение жидкости предпочтительно. Обычно это связано с высокими характеристиками

жидкости, такими как диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, теплоемкость, теплопроводность и т.д.

Из наиболее важных электрофизических параметров, характеризующий жидкий диэлектрик: диэлектрическая проницаемость е, удельное сопротивление ре, электрическая прочность Еь, только в можно считать истинной характеристикой жидкости. Удельное сопротивление в значительной мере зависит от примесей, зачастую трудно контролируемых, а также от характера приэлектродных процессов. Значение рв, как правило, определяется предисторией образца жидкости. Наиболее высокие результаты по уменьшению электропроводности достигаются применением ионообменных технологий, в частности электродиализа [9]; однако этот процесс достаточно сложен и требует специальных исследований при попытке очистки каждой конкретной жидкости. В особенности это касается неполярных жидкостей. Лишь в некоторых случаях, когда достигается уровень электропроводности, определяемый самодиссоциацией жидкости, ее удельное сопротивление можно считать характеристикой жидкости. Здесь уместно привести пример, характеризующий уровень понимания процессов электропроводности в жидкости. В современных справочниках приводятся данные об электропроводности таких жидкостей как нитробензол, сульфолан, и других полярных несамодиссоциирующих жидкостей на уровне сг~10~7 Ом"1 см"1 [11]. Однако подробные исследования N. РеНа и его сотрудников [9,10,12-15] показали, что с помощью электродиализной очистки ее можно уменьшить и сохранять на

13 1 1

уровне а ~ 10" Ом" см" т.е. при понимании механизма появления и уничтожения носителей заряда стало возможным уменьшение проводимости на шесть порядков.

Электрическая прочность, хоть и в меньшей степени, чем но все-таки существенно, зависит от технологических факторов и внешних условий. Ее можно считать частично физической, частично технологической характеристикой. Истинная электрическая прочность, определяемая деградацией ее изолирующих свойств за счет самогенерации носителей заряда, должна составлять значение около 108В/см. Реальные, низкие значения прочности (105- 106) В/см обусловлены протеканием предпробивных процессов, связанных с носителями заряда,

образованием, существованием пузырьков и т.д. Два - три порядка, разделяющие реальные и теоретические значения, с одной стороны, требуют разъяснения столь значительного расхождения, с другой стороны оставляют возможность прогресса в вопросе повышения импульсной электрической прочности реальных электрофизических устройств. Очевидный вывод из анализа полученных результатов состоит в том, что при подавлении предпробивных процессов должна увеличиваться электрическая прочность. Принципиальная возможность очистки жидкости, увеличения Еь дает основание для проведения работ по созданию жидкой электрической изоляции с улучшенными характеристиками.

К настоящему времени, достаточно ясное понимание поведения жидкостей в импульсных электрических полях дало возможность использования жидкостей в электрофизических устройствах, таких как импульсные накопители энергии [1619], разрядники [2, 17], где использование других диэлектриков менее эффективно. Однако рабочая напряженность электрического поля в реальных устройствах выбирается на низком уровне, например для воды этот уровень не превышает 100 кВ/см.

Особенно актуальна задача повышения