5.1.2 Пробій діелектрика.

1. Загальна характеристика явища пробою.

2. Методи вимірювання пробивної напруги.

3. Фізика пробою діелектриків.

1. Діелектрик, знаходячись в електричному полі, втрачає властивості електроізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення. Це явище носить назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності. Значення напруги, при якій відбувається пробій діелектрика, називається пробивною напругою, а відповідне значення напруженості поля - електричною міцністю діелектрика.

Пробивна напруга позначається Uпр і вимірюється в кіловольтах. Електрична міцність визначається пробивною напругою, віднесеною до товщини діелектрика h в місці пробою

Eпр = Uпр/h [кВ/мм]

Для системи СІ 1 МВ/м = 1 кВ/мм = 10 В/м.

Пробій газу обумовлюється явищем ударної іонізації і фотонної. Пробій рідких діелектриків відбувається в результаті іонізації теплових процесів. Одним з найголовніших чинників, сприяючих пробою рідин, є наявність у них сторонніх домішок. Пробій твердих тіл може викликатися як електричними, так і тепловими процесами, що виникають під дією електричного поля.

2. Вимірювання Uпр зразків діелектриків проводиться на випробувальних установках, принципова схема яких зображена на рисунку 5.4.

ЗК

СЛ

R

T

AT 1

V 2

3

mA

а

R VD

T

С 1

2

3

б

Рисунок 5.4

Установка для вимірювання пробивної напруги Uпр при частоті 50 Гц (рис. 5.4,а) складається з випробувального трансформатора Т для підвищення напруги. Напругу на низьковольтній обмотці цього трансформатора плавно або ступенями змінюють за допомогою автотрансформатора АТ. Зразок 2 підключений за допомогою електродів 1 і 3 до високовольтної обмотки випробувального трансформатора. Захисний резистор R служить для обмеження струму, що протікає при пробої по високовольтній обмотці трансформатора Т. Hапруга на зразку вимірюється вольтметром V, який градуюється по напрузі високовольтної обмотки. Потужність випробувальної установки повинна бути достатньою, щоб сталий струм короткого замикання при пробої з боку високої напруги був не менше 40 мА при випробуваннях твердих і 20 мА рідких діелектриків. Цей струм контролюється по амперметру mА, проградуйованому по струму короткого замикання у високовольтній обмотці. Напруга на струмопровідних частинах високовольтного трансформатора і резистора небезпечна для життя. Тому трансформатор Т, резистор R і випробувальне поле, на якому розташовані зразок 2, електроди 1 і 3, розміщуються в захисній камері ЗК.

У ході визначення Uпр напругу на низьковольтній обмотці плавно або ступенями підвищують і фіксують напругу пробою по вольтметру V. У колі низької напруги передбачений автоматичний пристрій, який вимикає живлення установки у момент пробою. Сигнальна лампа СЛ вказує на ввімкнення і вимкнення установки.

Для вимірювання Uпр на постійному струмі (рис. 5.4,б) у коло високої напруги включають високовольтний діод VD і конденсатор С, який служить для згладжування пульсацій струму в цій однонапівперіодній схемі випрямляння.

Число пробоїв при випробуваннях обумовлюється технічними умовами на властивості матеріалів. Проте у будь-якому випадку число пробоїв повинно бути не менше 5, а при випробуваннях вузьких і стрічкових матеріалів - електродами діаметром 6 мм і число пробоїв повинне бути не менше 10. У цьому випадку, якщо окремі результати відрізняються від середнього арифметичного більш ніж на 15%, число пробоїв збільшується у 2 рази.

3. Розрізняють такі види пробою діелектриків.

Електричний пробій викликається ударною іонізацією електронами, внаслідок чого з'являються нові електрони, які так само прискорюється електричним полем. Таким чином, кількість вільних електронів лавинно зростає, що приводить до різкого підвищення провідності і електричного пробою. У разі електричного пробою електрична міцність рідких і твердих діелектриків більше, ніж у газоподібних. За нормальних умов для повітря Епр = 3 10⁶ В/м, для рідких діелектриків 10⁸ В/м, для твердих (монокристалів) – 10⁹ В/м.

Електротепловий пробій обумовлений прогресивно наростаючим виділенням теплоти в діелектрику під дією діелектричних втрат і електропровідності; його називають тепловим пробоєм. Якщо теплота, що виділяється, більше, ніж що відводиться, то діелектрик нагрівається, і в місцях якнайгіршого відведення відбувається пробій.

Електрохімічний пробій обумовлений повільною зміною хімічного складу і структури діелектрика, які розвиваються під дією електричного поля або розрядів у навколишньому середовищі. Електрохімічний пробій розвивається в електричних полях значно меншої напруженості.

Можливі й окремі стадії розвитку процесу втрати електричної міцності в цих трьох типах пробою.

Іонізаційний пробій виникає в результаті дії на діелектрик часткових розрядів у газових парах. Наприклад, полімерні діелектрики під дією часткових розрядів окислюються; електрони та іони, що утворюються в результаті часткових розрядів, бомбардуючи стінки пір, викликають їх ерозію, тобто механічно руйнують; оксиди азоту і озону, що утворюються, руйнують полімер; порушують стінки пори теплова дія перегрітого розрядом газового включення.

Електромеханічний пробій спостерігається в полімерних діелектриках при температурах, коли вони знаходяться у високоеластичному стані. Під дією сил електростатичного тяжіння, що виникають між електродами при високій напрузі, відбувається механічне здавлення діелектрика, зменшення його товщини. Досягши критичної деформації, відбувається механічне руйнування зразка.

Електротермомеханічний пробій є різновидом електротеплового і спостерігається в крихких діелектриках, що містять пори, наприклад у кераміці. Поблизу іонізованих газових включень утворюються перегріті ділянки діелектрика. Їх теплове розширення більше, ніж у менш нагрітих ділянках. У результаті в діелектрику виникають механічні напруги, які приводять до утворення в крихкому матеріалі мікротріщин і зрештою до механічного руйнування.