Электрическая прочность диэлектриков

Свойство диэлектрика выдерживать то или иное электрическое напряжение определяется электрической прочностью диэлектрика.

Электрической прочностью, E_пр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой. Напряжение, при котором происходит электрический пробой, называют «пробивным напряжением», U_пр.

где h- толщина диэлектрика (промежуток между электродами, разрядный промежуток). Пробивное напряжение зависит от размера разрядного промежутка. При увеличении промежутка пробивное напряжение возрастает, а электрическая прочность снижается.

Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности материала при воздействии определенного напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости между электродами через этот канал. Механизмы развития разряда в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках различны.

При электрическом пробое большого газового промежутка последовательно развиваются следующие явления:

I. Появление свободного электрона в газовом промежутке (случайного, из металлического электрода, в результате фотоионизации молекулы газа и т.п.)

II. Разгон свободного электрона электрическим полем до энергии, достаточной для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом ионизировать последний (ударная ионизация).

III. Развитие электронной лавины как следствие множественных актов ударной ионизации.

IV. Рост стримера – проводящего плазменного канала, формирующегося из положительных ионов, оставшихся после прохождения лавины, и отрицательных зарядов, втягиваемых в положительную плазму.

V. Преобразование стримера в лидер за счет термоионизации, вызываемой прохождением емкостного тока по стримеру.

VI. Главный разряд происходит при замыкании каналом разряда разрядного промежутка.

При малых промежутках процесс пробоя может завершиться на стадиях III (лавинный пробой) и IV (стримерный пробой, искра).

Электрическая прочность газов зависит в первую очередь от:

- расстояния между электродами (рис 4.2);

- давления (При увеличении давления уменьшаются расстояния между молекулами. Разгоняющемуся электрону необходимо на более коротком пути разгона (называемого длиной свободного пробега) получить ту же энергию, достаточную для ионизации атома. Эта энергия определяется в первую очередь конечной (в момент соударения) скоростью электрона. Большего ускорения электрон может достичь за счет увеличения действующей на него силы – напряженности электрического поля. Экспериментальная зависимость пробивного напряжения газового промежутка от произведения давления «р» на величину промежутка «h» называется кривой Пашėна. Минимальное значение пробивного напряжения для воздуха при ph=0,7Па×м составляет примерно 330 В. Левее указанного значения ph электрическая прочность возрастает из-за малой вероятности столкновения электронов с молекулами газа.);

Рис 4.2. Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами

- сродства молекулы газа к электрону, электроотрицательности газа (Сродство к электрону – это способность некоторых нейтральных атомов и молекул присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы. В электроотрицательных газах, состоящих из атомов с высоким сродством к электрону, требуется бǒльшая энергия разгона электронов полем для образования электронной лавины).

Электрическая прочность воздуха в промежутке 1 см при нормальных температуре и давлении составляет 3 кВ/мм. При давлении 0,3 МПа электрическая прочность воздуха может достигать 10 кВ/мм

Электрическая прочность элегаза (SF₆, электроотрицательный газ) при нормальных температуре и давлении составляет 8,7 кВ/мм. При давлении 0,3 МПа электрическая прочность элегаза может достигать 20 кВ/мм.

Электрическая прочность жидкого диэлектрика не связана непосредственно с химическим строением жидкости. Из-за близкого расположения молекул механизм ударной ионизации в жидком диэлектрике не реализуется.

Энергия ударной ионизации составляет примерно W=5 эВ. Эту же энергию можно выразить как произведение заряда электрона на напряжённость поля ( q×E, действующая на электрон сила) и на длину свободного пробега (λ≈5∙10^-7м): W=e∙Е_пр∙λ. Если вычислить из этого выражения электрическую прочность, то получим:

Реально электрическая прочность жидкостей составляет (20-40) кВ/мм.

На значение электрической прочности влияет в первую очередь количество газа в жидкости и состояние поверхности электродов.

Электрический пробой жидкого диэлектрика начинается, как правило, с пробоя микроскопических газовых пузырьков. Из-за низкой диэлектрической проницаемости газа напряженность в пузырьке выше, чем в жидкости, а электрическая прочность газа – ниже.

Частичные разряды в пузырьках (см.4.9) приводят к росту последних, что в итоге завершается пробоем жидкого диэлектрика.

Основными примесями, снижающими электрическую прочность трансформаторного масла, являются также проводящие включения (сажа) и вода. Причем последняя из примесей играет наиболее существенную роль. Вода при нормальной температуре не смешивается с маслом, а содержится в нём в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля эти капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Определение электрической прочности жидких диэлектриков проводят в стандартных разрядниках с полусферическими электродами, позволяющими создать в зоне пробоя равномерное электрическое поле (при диаметре электродов на порядок превышающем пробивной промежуток). Стандартный разрядник для испытаний жидких диэлектриков содержит электроды со сферической поверхностью, расстояние между которыми – 2,5 мм. Пробивное напряжение качественного трансформаторного масла должно превышать 50 кВ и может достигать 70 кВ. (По теории ударной ионизации пробивное напряжение должно было бы составлять 2…3 МВ).

Электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается при:

- очистке от твердых проводящих микрочастиц (сажа, уголь и т.п.);

- сушке жидкости (удалении воды);

- дегазации жидкости (вакууммировании);

- повышении давления.

Электрическая прочность твёрдого диэлектрика зависит от времени приложения пробивного напряжения. По времени воздействия напряжения (с момента подачи до пробоя) и физическим процессам, происходящим при этом воздействии, различают (рис 4.3):

- электрический пробой (время воздействия – доли секунды);

- тепловой пробой (время воздействия от секунд до часов);

- пробой под действием частичных разрядов (время воздействия от нескольких часов до года и более).

Рис 4.3. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от времени

При электрическом пробое под действием приложенного напряжения разрываются химические связи, и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорциональна энергии химических связей.

Твердые диэлектрики, как правило, имеют более высокую электрическую прочность, нежели жидкие и газообразные. Например:

- Полиэтилен ≈ 30 кВ/мм.

- Поливинилхлорид ≈ 40 кВ/мм.

- Изоляционное стекло ≈ 70 кВ/мм.

Причиной теплового пробоя является разогрев диэлектрика, чаще всего за счет диэлектрических потерь, когда мощность потерь превышает мощность, отводимую от диэлектрика.

При повышении температуры увеличиваются электропроводность (за счет увеличения числа носителей) и угол диэлектрических потерь, что приводит к дополнительному росту температуры, и снижению электрической прочности. В результате разогрева диэлектрик пробивается при более низкой напряженности поля, чем при электрическом виде пробоя.