2.4. Пробой диэлектриков

Если напряжение, подведенное к диэлектрику, превышает некоторое критическое значение, диэлектрик теряет свои изоляционные свойства - происходит его пробой или нарушение электрической прочности. Пробивное напряжение обозначается Uпp. Пробивная напряженность Епр вычисляется как Uпp/h, где h - толщина образца диэлектрика.

Пробой газов. Газ часто является естественным изолятором для устройств электроснабжения. Пробой газа обусловлен явлением ударной ионизации и фотоионизации. Происходит практически мгновенно. Длительность подготовки пробоя газа на 'промежутке 1 см составляет 10^-7-10^-8 с. Чем выше напряжение тем быстрее развивается пробой. Поэтому для кратковременных импульсов напряжения пробивное напряжение газа повышается.

Характер пробоя зависит от однородности электрического поля. В однородном поле пробой возникает сразу при достижении Епр: образуется искра, переходящая в дугу. Епр зависит от величины межэлектрического промежутка. Например, для сухого

воздуха при h = 20 мм Епр=3 кВ/мм, а при h = l мм Епр=10 кВ/мм. Это объясняется трудностью развития лавины носителей заряда на малом расстоянии.

Зависимость Епр от величины давления газа имеет явно выраженный минимум в области примерно 1 атмосфера. Поэтому лучшим изолятором является газ под очень низким или. наоборот, высоким давлением. Газ при низком давлении используется в качестве изолятора в конденсаторах высокой частоты доя больших напряжений. Газ под давлением используется как изолятор в высоковольтной аппаратуре.

Если электрическое поле неоднородно, сначала возникает частичный локальный разряд в виде короны в том месте, где напряженность достигла критического значения. В дальнейшем этот разряд может развиться в пробой всего межэлектродного промежутка.

К сведению, напряжение частоты 50 Гц возникновения короны между плоскими электродами, находящимися в воздухе на расстоянии 15 мм составляет 5-6 кВ, а возникновения пробоя - 8-9 кВ. Но на частоте 1 Мгц пробой возникает уже при напряжении 6 кВ.

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем„ газы. При этом напряженность пробоя сильно зависит от наличия в жидкости посторонних примесей. Так трансформаторное масло высокой очистки характеризуется величиной Епр, равной 20 кВ/мм, а плохо очищенное - всего 4кВ/мм. Для чистого трансформаторного масла температура почти не влияет на пробивную напряженность в отличие от масла, загрязненного водой.

Для жидких диэлектриков характерным является относительно более высокая устойчивость к импульсным напряжениям. Обычно импульсивная прочность в 5-7 раз выше электрической прочности при длительном воздействии.

Пробой твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках различают два вида пробоя - тепловой и электрический.

Тепловой пробой происходит в результате нагрева диэлектрика из-за большого тока сквозной проводимости или диэлектрических потерь. Количество тепла, выделяемого в диэлектрике, зависит от тангенса угла потерь при рабочей температуре:

Q₁ = U²C tg

Количество отводимого тепла в результате теплоотдачи:

Q² = S(t_раб- t₀),

где  - коэффициент теплоотдачи, S - площадь поверхности диэлектрика,

t_раб  рабочая температура диэлектрика, t₀-температура окружающей среды.

В том случае, когда Q₁ = Q₂ температура диэлектрика устанавливается постоянной. Следовательно, напряжение, которое можно подводить к диэлектрику по условию допустимого нагрева, не должно превышать величины:

С уществует формула для расчета допустимого напряжения, составленная для диэлектриков различной формы и размеров. При превышении тепловыделения над теплоотдачей происходит увеличение нагрева диэлектрика и уменьшение его сопротивления. Существуют диэлектрики, которые резко увеличивают tg при температуре всего 30°С. При сильном нагреве материала диэлектрика происходит пробой материала - его расплавление. Пробой сначала охватывает малую область объема диэлектрика (так называемый канал), а затем распространяется на весь объем.

Повышение частоты напряжения способствует увеличению диэлектрических потерь и интенсивности теплового пробоя. Характерной особенностью теплового пробоя является зависимость электрической прочности диэлектрика от толщины материала и от температуры окружающей среды.

Электрический пробой представляет собой чисто электронный процесс, при котором под воздействием высокого напряжения свободные электроны в теле диэлектрика образуют саморазвивающуюся лавину. Встречается относительно редко в некоторых чистых материалах (монокристаллах, органических полимерах), обладающих незначительными диэлектрическими потерями.

Электрическая прочность диэлектриков при электрическом пробое практически не зависит от температуры среды и толщины материала.

Приведем значения электрической прочности некоторых наиболее распространенных диэлектриков в кВ/мм: стекло - от 100 до 300, слюда - от 100 до 300, керамика от 10 до 30, пористая керамика - от 1,5 до 2,0, дерево - от 4 до 6, кабельная бумага - от 4 до 6, пропитанная бумага - от 100 до 300, органические пленки, полистирол - от 90 до 120.

Со временем эксплуатации диэлектрических изделий происходит их "старение", заключающееся в уменьшении их электрической прочности.

В ряде диэлектриков наблюдается явление электрохимического пробоя. При этом виде пробоя происходит разложение вещества при прохождении тока проводимости и выделение химически активных элементов, вызывающих химическое разрушение изоляции.

При работе диэлектрика на высоких частотах к нему предъявляются жесткие требования по минимизации tg нес целью снижения диэлектрических потерь и нагрева. Так, у большинства твердых высокочастотных диэлектриков tg = 0,0001 - 0,005, а  = 2,0 - 2,4 при f = l МГц. Кроме того, для уменьшения потерь от токов проводимости удельное электрическое сопротивление должно быть не менее 10¹⁵ Омм.