Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквозной ток через диэлектрик резко возрастет, а сопротивление диэлектрика уменьшится настолько, что произойдет короткое замыкание электродов, и образуется сквозной канал проводимости. Это явление называется пробоемдиэлектрика. Значение напряжения в момент пробоя Uпр называется пробивным напряжением. Способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях высокой напряженности называют электрической прочностью,обозначают Епр и оценивают как Епр = Uпр/h, где h – толщина диэлектрика. Измеряют Епр в вольтах на метр, на практике принято оценивать электрическую прочность в кВ/мм, причем1МВ/м=1кВ/мм. Если произошел пробой диэлектрика, то при повторной подаче напряжения повторный пробой произойдет при горазда меньшем напряжении, чем при первом пробое. Диэлектрик потерял свои изоляционные свойства.
Электрическая прочность зависит от природы материала толщины диэлектрика, условий теплоотвода, влажности, температуры и других факторов. Работоспособность материала диэлектрика определяют различные виды (механизмы) пробоя.
Электрический пробой. Под действием сильного электрического поля в диэлектрике электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, и происходит лавинообразный процесс ударной ионизации частиц диэлектрика с образованием большого количества носителей заряда, большого тока, и как следствие этого – разрушение диэлектрика. Электрический пробой протекает практически мгновенно, в течение 10-8…10-5с. При нем электрическая прочность имеет большее значение, чем при других видах пробоя, и не зависит от толщины диэлектрика. У твердых диэлектриков при нормальных условиях Епр ~ 1000 МВ/м. Для сравнения: у воздуха Епр ~ 3 МВ/м; масел – Епр ~ 10 МВ/м; воды ~ 0,1МВ/м.
Тепловой (электротепловой) пробой. Обусловлен экспоненциальным ростом электронной проводимости диэлектрика при возрастании температуры и нарастающим выделением теплоты под действием диэлектрических потерь и потерь от токов сквозной проводимости. Он возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, отводимой в окружающую среду. Если выделяется теплоты больше, чем отводится, то диэлектрик нагревается, и температура может достичь значения, при которой происходит пробой диэлектрика. При тепловом пробое электрическая прочность Епр тем ниже, чем толще диэлектрик, так как при этом ухудшаются условия отвода теплоты. Тепловой пробой развивается в течение времени t ~ 10-3…102 с, горазда медленнее электрического, Епр ~ 0,1…1МВ/м.
Поверхностный пробой (перекрытие). Возникает из-за больших поверхностных токов диэлектрика, и переходит в дуговой разряд в среде, окружающей диэлектрик, чаще всего в воздухе. Сильно зависит от влажности, загрязнений поверхности, трещин, шероховатости поверхности диэлектрика. Поэтому электрическая прочность при этом виде пробоя мала, Епр ~ 0,1 МВ/м.
Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен этот вид пробоя медленным изменением химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля и частичных разрядов в диэлектрике или окружающей среде. Изменения в диэлектрике связаны с процессами электролиза, электрической миграции, переноса ионов, что приводит к изменению состава и старению диэлектрика. Электрохимический пробой по этой причине возникает после длительной эксплуатации диэлектрика, находящего в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Время развития электрохимического пробоя (его называют еще временем жизни τж диэлектрика) может достигать ~ 103…108с.
Существует и другие виды пробоя: ионизационный, электромеханический, электротермомеханический [5].