Пробой твердых диэлектриков

Физическая природа пробоя твердых ди­электриков весьма различна. Различают несколько видов пробоя: электрический про­бой макроскопически однородных диэлект­риков, электрический пробой неоднородных диэлектриков, электротепловой пробой, электрохимический пробой.

Электрический пробой однородных ди­электриков по своей природе является чисто электронным процессом, заключающимся в образовании в диэлектрике электронной лавины из небольшого числа электронов под действием сильного электрического поля. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием, он протекает в течение 10^-7 — 10^-8 с. При электрическом пробое однородных ма­териалов большое значение имеет неоднородность электрического поля. Пробивные напряжения в однородном и резко неоднородном полях сильно различаются. Таким образом, одни и те же образцы в полях разной степени неоднородности обнаруживают разные значения электрической прочности.

Из числа неоднородных диэлектриков электрический пробой ча­ще всего наблюдают в твердых диэлектриках, обладающих порис­тостью. Пористость определяется самой природой диэлектрика, на­пример у волокнистых материалов, или появляется в процессе экс­плуатации, например в слоистой изоляции, на основе слюды. Нали­чие газовых (воздушных) включений в таких диэлектриках приво­дит при повышенных напряжениях к развитию ударной ионизации газа. Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающе на основной твердый компонент изоляции вследствие бомбардиров­ки ионами и электронами. Электрический пробой неоднородных ди­электриков также отличается достаточно быстрым развитием. Пробив­ные напряжения невысоки и весьма мало отличаются друг от друга в однородном или неоднородном полях.

У многих технических диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения она резко падает с увеличением температуры, что говорит о появлении электротеплового пробоя.

На значение электрической прочности диэлектрика непосредственно влияет вид напряжения и время его воздействия. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших на­пряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.

Причиной электротеплового пробоя твердого диэлектрика явля­ется его разрушение под влиянием тепла, выделяющегося в результате диэлектрических потерь. Электротепловой пробой возникает в случае, когда количество тепла, выделяющегося внутри диэлект­рика за счет диэлектрических потерь, будет больше количества тепла, отводимого в окружающую среду. Для расчета напряжения электротеплового пробоя электроизо­ляционных материалов можно пользоваться формулой, выражаю­щей условие теплового равновесия:

(2.70)

где U — приложенное напряжение, f - частота, Гц; С — емкость диэлектрика, Ф; S — площадь поверхности диэлектрика, м²; t — температура поверхности диэлектрика, °С; t_o — температура окружающей среды, °С, e - относительная диэлектрическая проницаемость, tgd_о – тангенс угла диэлектрических потерь, a - температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь, h – толщина диэлектрика.

Левая часть уравнения определяет электрическую мощность, выделяющуюся в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, правая часть — тепловую мощность, отводимую от диэлектрика в окружающую среду. В состоянии теплового равновесия тепловой пробой отсутствует. Но так, как tgd обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической температуры, левая часть уравнения становится больше правой. Следовательно, тепловыделение превысит теплоотдачу и диэлектрик будет быстро нагреваться, что приведет к его разрушению (обугливанию, расплавлению).

Для инженерных расчетов рекомендуется формула

, (2.71)

где К – числовой коэффициент, равный 1,15× 10⁵, если все величины имеющие размерности, выражены в единицах СИ; s - коэффициент теплопередачи системы: диэлектрик – металл электродов.

Таким образом, пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты электрического поля, ус­ловий охлаждения, температуры окружающей среды. Кроме того, напряжение электротеплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значе­ния пробивных напряжений при электротепловом пробое, чем неор­ганические. Электротепловой пробой наиболее вероятен при повышенных температурах (как самого диэлектрика, так и окружающей среды), при высокой частоте и при длительном воздействии напряжения. При импульсных напряжениях электротепловой пробой обычно не успевает развиться из-за недостаточной длительности воздействия напряжения.

В условиях, когда принципиально возможен электротепловой пробой, надо применять электроизоляционные материалы с малым tgd и высокой его температурной стабильностью; желательно ис­пользовать материалы и системы изоляции, обеспечивающие повы­шенную теплопроводность.

Электрохимический пробой обусловлен химическими процесса­ми, происходящими в диэлектрике под воздействием электрическо­го поля. Химические изменения приводят к старению диэлектрика, т. е. к постепенному необратимому уменьшению сопротивления, а следовательно, к постоянному снижению электрической прочности. Старение особенно заметно проявляется при постоянном напряже­нии и низких частотах, в условиях повышенных температуры и влажности воздуха. Электрохимический пробой для своего развития требует длительного времени.

Старение свойственно, в первую очередь, органическим диэлект­рикам, в которых оно обусловлено, прежде всего, развитием иониза­ционного процесса в воздушных включениях с выделением озона и оксидов азота, приводящих к постепенному химическому разруше­нию изоляции. Однако старение может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности, электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Поверхностный пробой диэлектрика возникает вследствие недопустимо больших поверхностных токов. По сути, поверхностный пробой не разрушает твердый диэлектрик, но появление токоведущего канала в газообразном диэлектрике вблизи поверхности твердого диэлектрика снижает пробивное напряжение. Значение поверхностного пробивного напряжения зависит от влажности, наличии на поверхности загрязнений, трещин, шероховатости, а также от конфигурации электродов, формы твердого диэлектрика, давления и температуры. Чем сильнее выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем меньше пробивное напряжение. Для борьбы с поверхностным пробоем заменяют воздух жидким диэлектриком, очищают поверхность твердого диэлектрика и создают ребристые поверхности твердого диэлектрика (рис. 2.26), что делает более длинным разрядный промежуток.