9. Пробой твердых диэлектриков. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от различных факторов. Способ определения электрической прочности жидких диэлектриков

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохож­дения тока нежелательными путями. Находясь под напряжением, твердая электрическая изоляция не может выдерживать любые его значения. При некотором критическом напряжении, превышающем /7_раб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлек­трик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает про­бой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением. При пробое в твердой изоляции образу­ется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при по­вторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения. Пробой твердой изоляции электротехнического устройства означает ппарию. Электротехническое устройство с пробитой твердой изоля­цией эксплуатировать нельзя, оно требует ремонта — замены детали с пробитой изоляцией или устройства в целом.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков: жсктрическую, электротепловую и электрохимическую, — каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в за­йме и мости от его состояния и внешних условий — наличия дефек­тов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, характера электрического поля (постоянное, переменное или импульсное, низкой или высокой частоты) и т.п.

Наиболее часто встречаемой и наиболее хорошо изученной является электротепловая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может проте­кать самостоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завер­шается другой.

Кроме указанных трех видов пробоя, в литературе встречаются высказывания о возможности других разновидностей пробоя или промежуточных его форм: электромеханической, электротермомеханической и др. Однако существование этих разновидностей оконча­тельно не доказано.

Влияние природы и строения твердых диэлектриков и внешних условий на электрическую прочность

Влияние природы диэлектриков

На величину Е_пр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. В случае наложения на механизм пробоя элекгро- тепловой формы Е_пр диэлектрика тем ниже, чем выше значения его Щ Вга и у (см. формулы (5.22) и (5.23)).

Большое влияние на электрическую прочность оказывают плот­ность упаковки структурных элементов твердого диэлектрика, его по­ристость и гигроскопичность. С уменьшением плотности упаковки структурных элементов (ионов — у неорганических диэлектриков, мо­лекул — у органических, макромолекул и образуемых ими надмолеку­лярных структурных образований —- у полимеров) Е_пр снижается, так как возрастает длина свободного пробега электронов, которые в ре­зультате этого приобретают энергию, достаточную для ионизации мо­лекул (атомов) при меньшей напряженности электрического поля.

Особенно низкое значение Е_пр имеют пористые диэлектрики (бу­мага, картон, лакоткань и т. п.), так как в них образуется резконеод­нородное электрическое поле, в результате чего повышается напря­женность поля на локальных участках, и пробой наступает при более низком напряжении (см. ниже).

С увеличением влажности Е_пр диэлектриков снижается, так как возрастают у и tg5, и в результате этого усиливается процесс тепло­выделения. При увлажнении возрастает также, как отмечалось выше, неоднородность электрического поля.

Влияние температуры

При электрическом пробое Е_пр твердых неорганических, органи­ческих, в том числе полимерных, диэлектриков практически не за­висит от температуры.микротрещин, инородных включений и т.п., имеющих величину г, отличную от 8 самого твердого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В результате на локаль­ных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля (см. формулу (5.10)), и пробой наступает при более низком на­пряжении. В сильных полях в результате ионизации пор неоднород­ность поля в диэлектрике значительно увеличивается (больше, чем в слабых полях), что приводит к еще большему снижению Е_пр. Кроме того, при длительном приложении напряжения Е_пр может снижаться вслед^вие электрического старения. Под действием чр, возникаю­щих в порах и микротрещинах материала при U > 1/_ю происходит его электрическая эрозия, и образуются электрические дендриты, уменьшающие эффективную толщину диэлектрика и увеличиваю­щие в нем неоднородность электрического поля. В результате элек­трическая прочность диэлектрика снижается. Электрическая проч­ность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Е_пр воздуха. Поэтому для увеличения Е_пр пористых диэлектриков их пропитыва­ют жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляци­онными лаками или компаундами.

Влияние толщины диэлектриков

С увеличением толщины диэлектриков (J_np возрастает медлен­нее, чем их толщина Л, т.е. зависимость E_np(h) нелинейная (рис. 5.27). Образцам с меньшей толщиной соответствуют бблыдие значе­ния Е_пр.

В случае электрической формы пробоя при толщине образцов, равной и менее примерно 10—20 мкм, у неорганических и органиче­ских (в том числе полимерных) диэлектриков наблюдается электри-

ческое упрочнение — резкое возрастание Е_П? при уменьшении А. При h > 10—20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверх­ности и в порах, объемных зарядов и т.п., что практически очень трудно исключить, Е_пр нё должно изменяться с увеличением толщи­ны образца.

При электротегоювой форме пробоя, что часто встречается в прак­тике, нелинейный характер зависимости E_np(h) выражен значительно сильнее, чем в случае электрической формы пробоя, и наблюдается во всем интервале толщины, в том числе при h 20 мкм, так как с уве­личением толщины образца ухудшаются условия теплоотдачи.

Влияние площади электрода

Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков сни­жается с увеличением площади электродов. Объясняется это тем, что с увеличением площади элек­тродов возрастает вероятность попа­дания под них слабых (дефектных) мест. Электрическая прочность мно­гослойной изоляции имеет экстре­мальную зависимость от числа тон­ких слоев (рис. 5.28). Тонкая (не­сколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного мате­риала (например, бумаги, картона, высыхающих лаков) имеет невы­сокую Е_лр, если величина частиц неоднородностей (например, пор) соизмерима с толщиной изоляции. При использовании двух слоев изоляции Е_пр возрастает, так как уменьшается вероятность попада­ния слабых (дефектных) мест под электроды. С увеличением числа слоев изоляции щ£ вначале повышается до определенного числа сло­ев, а затем снижается. Одна из причин снижения Е_пр — ухудшение отвода тепла.

Способ определения электрической прочности жидких диэлектриков.

Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложное явление, чем пробой газов. Жидкие, хорошо очищенные диэлектри­ки имеют при нормальных условиях электрическую прочность при­мерно на порядок выше, чем воздух. На величину Е_пр жидких ди­электриков существенно влияет примесь нерастворенная, е которой отличается от £ диэлектрика. Электрическая прочность на импульсах напряжения в однородном поле у тщательно очищенных нефтяных электроизоляционных масел и простых органических жидкостей (особенно тех, молекулы которых содержат атомы F и С1) сравнима с Е_пр многих твердых диэлектриков и составляет величину порядка 10⁸ В/м. Их Е_пр почту, не зависит от температуры, расстояния А меж­ду электродами при h > 20—60 мкм (у н-гексана при А > 45 мкм) и длительности импульса до т « 10“⁶ с ( у н-гексана до т > 1—2 мкс). Эти экспериментальные данные свидетельствуют в пользу электри­ческой формы пробоя, в основе которого лежат электронная удар­ная ионизация и холодная эмиссия электронов из катода. При h < 20—60 мкм с уменьшением расстояния между электродами Е_пр возрастает. Это явление называют электрическим упрочнением.

Исследования механизма пробоя жидких диэлектриков с помо­щью скоростной фоторегистрации показали, что в начальной стадии в местах образования будущих каналов пробоя возникают оптиче­ские неоднородности, представляющие собой густое переплетение темных микроскопических нитей. Эти оптические неоднородности, очевидно, являются газовыми пузырьками, образовавшимися в ре­зультате тепловых процессов, вызванных токами электронной эмис­сии из катода, автоионизацией молекул жидкого диэлектрика и по­ляризационными токами.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что на механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных процессов, существенное влияние оказывают также и тепловые процессы.

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих механизм пробоя жидких диэлектриков. Однако ни одна из них не раскрывает в полном объеме механизм этого процесса. Поэтому Е_пр (t/_np) жидких диэлектриков определяют только экспериментальным путем. Из всех известных теорий кратко рассмотрим две теории — те­плового и электрического пробоев, так как влияние на механизм пробоя электронных и тепловых процессов доказано экспериментально.