Электрофизические процессы в газообразных, жидких и твердых диэлектриках. Процессы в жидкостях

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

С.М. КОРОБЕЙНИКОВ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

В ГАЗООБРАЗНЫХ, ЖИДКИХ 
И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

ПРОЦЕССЫ В ЖИДКОСТЯХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.315.61 (075.8)

К 68

Рецензенты:

А.Г. Овсянников, д-р техн. наук, проф.;

Л.А. Дарьян, д-р техн. наук, доц. 

Коробейников С.М.

К 68
Электрофизические процессы в газообразных, жидких и 

твердых диэлектриках. Процессы в жидкостях : учеб. пособие / 
С.М. Коробейников. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. – 116 с.

ISBN 978-5-7782-1397-5

В пособии рассматриваются вопросы появления носителей заря
дов, электропроводности, электрического пробоя жидких диэлектриков на основе исследований автора. Показаны механизмы явлений, 
рассмотрены методы влияния на них.

Пособие предназначено студентам, обучающимся специальностям: 

140201 «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника», 
140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Работа частично поддержана грантами РФФИ и Минобразования РФ.

Работа подготовлена на кафедре безопасности труда

УДК 621.315.61 (075.8)

ISBN 978-5-7782-1397-5
© Коробейников С.М., 2010
© Новосибирский государственный

технический университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................................................5
1. Жидкие диэлектрики .......................................................................................6

1.1. Диэлектрическое и резистивное состояния ............................................6
1.2. Отличия жидкого состояния от газообразного и твердого....................7
1.3. Основные характеристики........................................................................8
1.4. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики........................10

2. Введение в процессы в газах.........................................................................22

2.1. Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер....................22
2.2. Основные зависимости...........................................................................28
2.3. Закономерности импульсного пробоя газов.........................................30

3. Современные представления  об электропроводности жидкостей .......30

3.1. Появление носителей заряда..................................................................31
3.2. Движение носителей заряда...................................................................35
3.3. Приэлектродные явления .......................................................................38
3.4. Двойной электрический слой.................................................................39
3.5. Эмиссия носителей заряда и электродные реакции.............................42
3.6. Роль частиц в электропроводности .......................................................44
3.7. Порог ударной ионизации ......................................................................46

4. Экспериментальные данные и зависимости электрического про
боя жидкостей..................................................................................................47

4.1. Введение ..................................................................................................47
4.2. Зависимости от физических свойств жидкостей..................................50
4.3. Зависимость от внешних факторов .......................................................54
4.4. Влияние примесей. Растворимые добавки............................................59
4.5. Нерастворимые примеси ........................................................................68

5. Модели электрического пробоя ...................................................................73

5.1. Ионизационные модели..........................................................................74
5.2. Тепловые модели.....................................................................................78
5.3. Кавитационные модели ..........................................................................79
5.4. Пузырьковая модель зажигания импульсного  электрического 

пробоя.......................................................................................................81

6. Электрооптические методы исследования электрофизических 

процессов........................................................................................................104

6.1. Возможности использования эффекта Керра  для измерения вы
соких напряжений.................................................................................105

6.2. Измерения электрических полей и изучение  электрофизических 

процессов ...............................................................................................109

Библиографический список ...............................................................................113
Приложения.........................................................................................................114
Приложение 1. Компьютерное моделирование предпробивных процес
сов ..............................................................................................114

Приложение 2. Задание по определению размеров и формы пор ..................115

Введение

Основные вопросы, которые рассмотрены в пособии, – это вопросы 

электропроводности и пробоя жидких диэлектриков, в частности: происхождение носителей заряда, особенности их движения, экспериментальные закономерности пробоя в зависимости от наличия примесей, 
от давления, температуры, длительности импульса, влажности и т. п., а 
также модели зажигания разряда. В приложениях кратко описаны лабораторная работа, основанная на пузырьковой модели зажигания разряда, предложенной автором, а также задание по оценке размеров и 
формы пузырьков в жидкой электрической изоляции по результатам 
измерений частичных разрядов в реальных трансформаторах тока.

В отличие от газов пробой жидкостей сопровождается другими фи
зическими явлениями, например образованием парогазовой фазы. Это, 
по крайней мере частично, сводит пробой жидкостей к пробою газов. 
Однако жидкости способны выдерживать без пробоя значительно 
большие напряженности. Если для газа электрическая прочность составляет порядка 30 кВ/см, то для жидкости – 300 кВ/см и более. Почему и как это происходит – будет выясняться в настоящем пособии.

Два основных применения пробоя и его исследования:
1) в электроэнергетике: без пробоя выдерживать все большие и 

большие напряжения;

2) в электротехнологиях: пробивать так, чтобы меньше энергии 

тратить на сам пробой, а больше энергии переводить в другие виды, 
полезные для технологических целей, например в ударную волну.

Для того чтобы управлять пробоем, как увеличивая электрическую 

прочность, так и управляя энерговыделением, нужно хорошо понимать 
процессы, которые происходят в жидкости под действием высокого 
напряжения. 

Это и является целью настоящего курса.

1. Жидкие диэлектрики

1.1. Диэлектрическое и резистивное состояния.
1.2. Отличия жидкого состояния от газообразного и твердого.
1.3. Основные характеристики.
1.4. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

1.1. Диэлектрическое и резистивное состояния

Диэлектрическое состояние вещества – это такое состояние, в ко
тором возможно накопление электрической энергии. Это означает, что 
в зависимости от внешних условий одно и то же вещество может быть 
как диэлектриком, так и проводником. Основное условие, разграничивающее вещества на резистивные и диэлектрические, – время диэлектрической релаксации

0 ,

где 
0 – диэлектрическая проницаемость воздуха, ε – диэлектрическая 

проницаемость вещества, ρ – удельное сопротивление.

Если 
импульса
t

для импульсного и 
1/

для переменного на
пряжения, то вещество проявляет диэлектрические свойства. Если 

t

или 
1/

, то вещество следует считать резистором. Здесь t –

длительность воздействия напряжения (импульса), ω – частота. В случае 
t , η ~ 1 / ω, вещество проявляет в равной степени диэлектриче
ские и резистивные свойства. Физический смысл η заключается в том, 
что это время разряда емкости на собственное сопротивление. Оценим 
значения для некоторых жидкостей.

Для трансформаторного масла обычно 
13
11
10
Ом см ( 10
Ом м).



Тогда 
12
13
3
1
1
8,85 10
Ф/м 2,2 10
Ом м
10 с
3 10 .
60 50


Масло, загрязненное примесями (водой), 
10
10
Ом м.

Суперочищенное масло – до 
12
10
Ом м.

Вода деионизованная: 

12
5
6
80 8,85 10
5 10 Ом м
350 10
с
350 мкс.


Традиционно считалось, что вода является проводником, но для 

экспериментов в наносекундной области, как выясняется, вода – это 
диэлектрик, причем с учетом высокой электрической прочности хороший диэлектрик. 

1.2. Отличия жидкого состояния от газообразного и твердого

Эти отличия связаны с образованием зарядов и их существованием.
В твердом диэлектрике: движутся электроны и дырки, ионы вмо
рожены и практически неподвижны, количество электронов зависит от 
ширины запрещенной зоны и в обычном диэлектрике практически их 
нет. Количество ионов определяется количеством примесей. Выражение для тока:

(
)
e
e
g
g
i
i
j
n
E
n
E
n
E ,

где 
,
,
e
g
i
n
n
n – плотности электронов, дырок и ионов; 
,
,
e
g
i – под
вижности электронов, дырок и ионов,

10
16
2
10
...10
см /(В с)
i
.

В газе: движутся электроны и ионы. Количество носителей заряда 

определяется в основном космическим излучением. Автоионизация 
затруднена, электронам нужно преодолеть барьер, равный энергии ионизации, после разделения заряды имеют возможность быстрой рекомбинации ввиду притягивания разноименно заряженных иона и 
электрона. 

В жидкостях: силы взаимодействия зарядов ослабляются в ε раз, 

образующиеся заряды окружаются молекулами жидкости, они могут 
передвигаться. Таким образом, в жидкостях заряды могут как сосуществовать, так и двигаться, что создает условие для повышенной проводимости по сравнению с газами и твердыми телами. С другой стороны, 
жидкость достаточно легко очищать: от ионизирующихся примесей –
перегонкой, кристаллизацией, диализом; от твердых частиц – фильтрацией; от газа – вакуумной обработкой. За счет этих средств и некоторых других, например, получены значения удельной проводимости 
10–19 См/м, что сравнимо с электропроводностью очищенных газов и 
лучших диэлектриков, вроде янтаря.

1.3. Основные характеристики

С электрофизической точки зрения наиболее важными характери
стиками жидкостей как диэлектриков являются три параметра: диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость – истинная характеристика 

жидкостей, она характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. В качестве примера укажем, что у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет 
чисто электронный характер и вследствие этого диэлектрическая проницаемость мала – ε < 2. Трансформаторное масло, являясь смесью 
веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому ε возрастает примерно до 2,2…2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, 
следовательно, больше и ε – примерно 4,5. Этиловый спирт, глицерин, 
вода являются представителями полярных веществ, ε составляет 24, 40, 
81 соответственно. Итак,

1) трансформаторное масло (в зависимости от сорта масла) –

ε = 2,2…2,4;

2) касторовое масло – ε = 3,5…4,5;
3) этиловый спирт – ε = 24;
4) глицерин – ε = 40;
5) вода – ε = 81.
Удельное электрическое сопротивление – это характеристика 

жидкости, технологии ее приготовления и очистки. Основной механизм появления проводимости – наличие ионизирующихся примесей. 
Теоретически, если удалить все примеси, то мы должны получить проводимость (и удельное сопротивление), являющуюся свойством жидкости, присущим только этой жидкости. Это действительно достигается в случае полярных, самодиссоциирующихся жидкостей (например, 
воды). Для воды теоретический расчет электропроводности и практические результаты после вакуумной перегонки совпадают. Однако для 
большинства жидкостей это недостижимо. И приводимые в справочниках значения удельного сопротивления характеризуют в большей 
степени способы очистки, чем свойства материала. Основная примесь, 
дающая проводимость в жидкостях, – это вода, основные способы 
улучшения удельного электрического сопротивления основаны на удалении воды. Кроме того, в жидкостях возникают так называемые 
двойные электрические слои.

Двойной электрический слой – образование в жидкости, на гра
нице с другими телами (электроды, диэлектрики, несмешивающиеся 
жидкости), заряженных слоев с повышенной электропроводностью, 
причем поверхность раздела и объем жидкости приобретают заряды 
разного знака. Образование двойных слоев актуально для технических 
жидких диэлектриков (например, для транспорта по трубам горючих 
диэлектрических сред типа нефти, конденсата и т. д.). Устранить двойные слои можно только при тщательной очистке диэлектрических 
жидкостей от ионизирующихся примесей.

Очистка диэлектрических жидкостей, как уже говорилось, может 

осуществляться дистилляцией, в том числе под вакуумом, частичной 
кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшаются электропроводность, диэлектрические потери, 
возрастает электрическая прочность. Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков, как мы знаем, является вода, а 
основными примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Поэтому в практике 
энергосистем для регенерации трансформаторного масла его фильтруют, обезгаживают вакуумированием, осушают, пропуская через объем, 
заполненный адсорбентами (цеолитами либо силикагелем).

Цеолиты – твердые вещества естественного или искусственного 

происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет 
пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в 
этих порах. 

Силикагель – пористый адсорбент для поглощения влаги и поляр
ных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению 
к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с 
цеолитами.

Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до шести 

порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки – электродиализа. 

Электродиализ – способ удаления ионов из промежутка за счет 

пропускания постоянного тока при использовании ионообменных 
мембран: катионообменной (носители заряда – катионы) у катода и 
анионообменной (носители заряда – анионы) у анода. За счет различных способов очистки жидкостей в исследованиях удавалось получить 
электропроводность не выше электропроводности лучших твердых 
диэлектриков, а именно до 10–19 См/м.

Электрическая прочность – как и электропроводность, в значи
тельной степени является технологической характеристикой жидкого 
диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации 
изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Есть несколько 
наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической 
прочности: дегазация жидкости, пропускание через адсорбент, пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из 
этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

Двадцать-тридцать лет назад велись споры, является ли электриче
ская прочность «истинной» характеристикой жидкости. Этот вопрос 
достаточно принципиален. Дело в том, что если измеренная электрическая прочность является истинной характеристикой, то практически 
бессмысленны попытки ее увеличения. Если электрическую прочность 
считать технологической характеристикой, следствием протекания определенных предпробивных процессов, то резонно, что, воздействуя на 
эти процессы, можно управлять электрической прочностью. 

Для примера рассмотрим эксперименты по пробою на постоянном 

напряжении замечательной диэлектрической жидкости – перфтортриэтиламина (С2F5)3N. Первые измерения (без специальной очистки 
жидкости и электродов) дали значения электрической прочности 
Епр = 60…70 кВ/см, причем с ростом числа пробоев электрическая 
прочность слабо возрастала (до 70…80 кВ/см). Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то 
можно получить 200…300 кВ/cм. После дополнительного проведения 
тренировочной серии в 20…30 маломощных разрядов электрическая 
прочность достигала 550…600 кВ/см.

1.4. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик – это 

трансформаторное масло.

Трансформаторное масло – очищенная фракция нефти, получае
мая при перегонке, кипящая при температуре от 300 до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и 
эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. 

Оно имеет сложный углеводородный состав со средней массой мо
лекул 220…340 а.е. и содержит следующие основные компоненты, %:

парафины
10…15

нафтены или циклопарафины
60…70

ароматические углеводороды
15…20

асфальто-смолистые вещества
1…2

сернистые соединения
< 1

азотистые соединения
< 0,8

нафтеновые кислоты
< 0,02

антиокислительная присадка (ионол)
0,2…0,5

Каждый из компонентов масла играет определенную роль при экс
плуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические 
углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к 
частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, 
азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и 
не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и его цвет. Сернистые, 
азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле. 

Углеводороды парафинового ряда кроме высокой химической ус
тойчивости обладают высокой температурой вспышки и рядом других 
положительных качеств, но теряют текучесть уже при комнатной температуре, поэтому не допускается большого содержания парафинов. 
Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.

Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины, и лег
ко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью считается доссорская 
нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды сим
метричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с 
длинными боковыми цепями (толуол). Первые относятся к наиболее 
трудно окисляемым веществам. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые 
весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

Первая операция приготовления трансформаторного масла из неф
ти – фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть пу

тем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды. Сначала от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: 
бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции, так называемый соляровый дистиллят, из которого и готовится 
масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как 
в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того в нем 
имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок его службы. Для получения полноценного продукта погон 
нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. 
Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой 
серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и 
смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого 
им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее 
количество кислоты достигает 12…14 % от веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии 
отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя 
масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления 
влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70…80 °С отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли 
или глины удаляют последние остатки смол и кислот и масло получает 
свой приятный соломенный цвет.

Основные физико-химические свойства масла. Из основных ха
рактеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. 

Плотность масла обычно находится в диапазоне (0,84…0,89)·103 кг/м3. 
Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций 

высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Но для того чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и 
выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло