4.7 Пробой диэлектриков

4.7.1 Основные понятия пробоя диэлектрика

Пробой диэлектрика это явление, приводящее к потере диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_ПР. Отношение U_ПР к толщине диэлектрика характеризует электрическую прочность диэлектрика, т.е. это минимальная напряжённость электрического поля, соответствующая моменту пробоя:

E_ПР = U_ПР ∕ h, (4.17)

где h – толщина диэлектрика (для твердых диэлектриков) или расстояние между электродами (для жидких и газообразных диэлектриков).

4.7.2 Виды пробоев в диэлектриках

В зависимости от механизма протекания электрический пробой диэлектриков может быть чисто электрическим, электротепловым и электрохимическим. При чисто электрическом пробое канал высокой проводимости возникает за счет резкого увеличения количества заряженных частиц: это могут быть свободные отрицательно заряженные электроны примеси или электроны, вырываемые электрическим полем с поверхности металлических электродов. Идет процесс ударной ионизации.

Электротепловой пробой заключается в том , что при приложении электрического поля диэлектрик разогревается за счет диэлектрических потерь, а с увеличением температуры электрическое сопротивление диэлектрика увеличивается, т.е. увеличивается сквозной ток, а это в свою очередь приводит к разогреву диэлектрика вплоть до того, что меняются его механические свойства, он растрескивается, оплавляется и таким образом, при относительном низком напряжении может произойти электротепловой пробой диэлектрика.

Электрохимический пробой заключается в том, что в диэлектриках под действием электрического поля и теплоты начинают происходить электрохимические процессы (электролиз, ионизация, окисление).

Возможно образование веществ с низкой электрической прочностью. Особенно этот электрохимический пробой усиливается с увеличением температуры и влажности.

Чисто электрический пробой чаще всего встречается в газообразных диэлектриках.

Явление пробоя в газах приводит к образованию канала газоразрядной плазмы, в жидких диэлектриках происходит вскипание и газовыделения, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остается след в виде прожженного или проплавленного отверстия. В газах и жидких диэлектриках после пробоя и после снятия напряжения восстанавливаются их изоляционные свойства.

А в твердых диэлектриках в канале пробоя могут оставаться проводящие продукты разложения, поэтому электроизоляционные свойства твердого диэлектрика после снятия напряженности не восстановятся.

Электрическая прочность диэлектриков зависит от рода материала, его размеров, температуры, влажности, частоты приложенного напряжения, времени приложения напряжения.

С увеличением толщины диэлектрика Е_ПР уменьшается (с ростом толщины диэлектрика ухудшается теплоотвод твердого диэлектрика, что приводит к разогреву материала и к электротепловому пробою при меньшей напряжённости поля).

Электрическая прочность газов зависит от формы электродов, которые определяют однородность электрического поля.

Рисунок 4.15 – График зависимости электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле.

При одной и той же толщине диэлектрика h_ПР при плоских электродах Е_ПР значительно выше, чем для электродов в виде конуса. Это надо учитывать для чисто электрического пробоя (пробой газа), т.к. для этого вида пробоя существенное значение имеет однородность электрического поля. При конической форме электродов электрическое поле неоднородно: на острие резко возрастает напряженность электрического поля (за счет сгущения силовых линий поля) при том же подведенном к электродам напряжения. Неоднородное поле возникает между остриями, острием и плоскостью, проводами, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы. В случае электротеплового или электрохимического пробоя форма электродов не оказывает существенного влияния. Эти виды пробоя чувствительны к частоте приложенном напряжении.

Поверхностный пробой – это пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика, т.е. E_ПР твердого диэлектрика не нарушается, но образование проводящего канала на его поверхности существенно уменьшает рабочее напряжение изолятора. Чтобы уменьшить поверхностный пробой изоляторы делают ребристыми, что увеличивает длину разрядного пути вдоль поверхности твердого диэлектрика. На поверхности изолятора наносят полупроводниковый материал или диэлектрические пленки с большим ε или погружают в трансформаторное масло.