27. Закономерности пробоя твёрдых диэлектриков.

Пробой твёрдого диэлектрика и изоляционной конструкции из них сопровождается образованием сквозного канала или значительными разрушениями структуры диэлектрика.

Как показывают исследования известно 3 пробоя твёрдых диэлектриков:

1. тепловой пробой – этот тип носит характер нарастающего разогрева диэлектрика до температур, превышающих его нагревостойкость с последующим его разрушением в виде проплавления или прогара;

2. электронный пробой – носит характер быстрого лавинно-стримерного процесса;

3. ионизационный пробой – это сравнительно медленные процессы разрушения, вследствие воздействия частичных разрядов в локальных ослабленных участках твёрдой изоляции: газовые поры, частички примесей, трещины, расслоения

28. Тепловой пробой.

При воздействии на любой диэлектрик электрического поля, в нем выделяется тепловая энергия вследствие диэлектрических потерь.

(1)

Рост потерь в твёрдом диэлектрике увеличивают его температуру, увеличение температуры к дальнейшему разогреву материала. Однако, увеличивается и теплоотдача. Если при этом темп нарастания тепловыделения превысит темп нарастания отвода тепла, то может наступить необратимый процесс, который заканчивается термическим разрушением материала или его пробоем – такой пробой называется тепловым.

(2)

Где а – толщина твёрдого диэлектрика.

Электрическая прочность снижается при увеличении толщины изоляции, электрическая прочность уменьшается снижением коэффициента теплопроводности, увеличением , частоты.

(3)

При возрастании температуры окружающей среды пробивное напряжение снижается и типичная зависимость имеет вид.

Температура при которой снижается пробивное напряжение называется критической. является индивидуальной характеристикой стойкости материалов по отношению к тепловому пробою. Для предотвращения теплового пробоя стараются обеспечить как можно меньшую температуру охлаждающей жидкости. Хороший теплоотвод для реализации последней методики используют системы принудительного охлаждения. Кроме того в толще диэлектрика делают каналы для циркуляции теплоносителей. Также стараются уменьшить толщину изоляции.

29. Электронный пробой твердого диэлектрика (пробой при кратковременных воздействиях напряжения)

Если обеспечить невысокую температуру твердого диэлектрика, то напряжение пробоя должно стремиться к бесконечности, но очевидно, что при кратковременных воздействиях напряжения, импульсах тепловой пробой маловероятен. Однако, и в таких условиях пробой всё-таки возникает, причём он происходит за очень маленький промежуток времени: 10^-7 – 10^-8 с. Такое маленькое время развития пробоя указывает на его электронную природу. Напряженность однородного электрического поля, при которой наступает электронный пробой твердого диэлектрика определяется только физической структурой материала и является его индивидуальной характеристикой. Для большинства твердых диэлектриков она лежит от 10⁶ до 10⁷ кВ/см. Определяется эта напряженность с помощью образцов твердых диэлектриков и электродов специальной (гостированной) формы, которые позволяют избегать частичных разрядов.

Называется эта напряжённость, иногда, внутренней электрической прочностью, иногда «истинной». «Истинная» напряжённость относительна.

Существует достаточно много теорий электрического пробоя. Наиболее широко применяются 3 теории:

1. теория Хиппеля-Каллена. Ударная ионизация медленными электронами.

2. теория Фрелиха. Ударная ионизация быстрыми электронами.

3. теория Франца. Квантово-механическая за счет электростатической ионизации.

Согласно этих 3 теорий энергия свободных электронов объемной проводимости с ростом напряженности возрастает. Продвигаясь в толще твердого диэлектрика свободные электроны рассеивают свою энергию, взаимодействуя с молекулами и атомами кристаллической решетки. При некоторой напряженности электрического поля накапливаемая свободными электронами энергия становиться больше рассеиваемой, т.е. возникают условия для непрерывного нарастания энергии свободных электронов, тем самым увеличивается вероятность ионизации. Появляются новые свободные электроны в результате разрушения структуры твёрдого диэлектрика. Развитие пробоя носит лавино-стриммерный характер и заканчивается проплавлением или прожёгом канала. Но в соответствии с этим механизмом внутренняя электрическая прочность твердого диэлектрика не зависит от времени воздействия напряжения, вплоть до очень малых размахов, возрастает пропорционально толщине твердого диэлектрика и снижается с ростом температуры.

Напряжение пробоя снижается при прочих равных условиях, при увеличении неоднородности электрического поля.

В системе острие-плоскость наблюдается эффект полярности. При «-» на острие пробивное напряжение на 20-30% больше, чем если бы на нём был «+».

Пробивное напряжение может быть повышено путём установки в толще твёрдого диэлектрика вблизи электрода с меньшим радиусом кривизны барьеров из тонких высокочастотных прочных полимеров..

Это ещё раз доказывает о лавинно-стриммерном развитии пробоя.

В реальных условиях твердые диэлектрики работают в неоднородных полях. В таких условиях трудно исключить внешние факторы. Поэтому для сравнения материалов кроме внутренней (истинной) прочности вводят среднюю электрическую прочность, Е_ср.

Е_ср является индивидуальной характеристикой твердого диэлектрика при определенных, но близких к реальным техническим условиям эксплуатации.

Е_ср определяется с помощью специальных гостированных образцов и в гостированых условиях. В резко неоднородных полях (больше 4) увеличение пробивного напряжения твердого диэлектрика наблюдается при длительности импульсов напряжения 10^-5-10^-6с.При многократном воздействии импульсов напряжения пробой возможен при амплитудах напряжения меньших, чем пробой при однократном воздействии.

Это явление называется куммулятивный эффект. Полный пробой развивается вследствие последующих разрушений отдельных участков твердого диэлектрика. Отношение получило название коэффициент кумулятивности. (U_1.пр – при однократном воздействии)

Для большинства твердых диэлектриков К лежит в диапазоне от 0,5 до 1. Отсутствие кумуляции характерно для некоторых компаундных изоляторов, а также для изоляции из аморфных стёкол. В большинстве случаев частичные разрушения накапливаются и куммулятивный эффект необходимо учитывать при проектировании изоляционных конструкций.