Пробой диэлектриков

Рисунок 2.24. Зависимость тока от напряжения при пробое диэлектриков.

Любой диэлектрик может быть использован только при напряженностях поля, не превышающих некоторого предельного значения. Если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, произойдет пробой диэлектрика, при этом сквозной ток, идущий через диэлектрик, резко возрастает, а сопротивление диэлектрика падает до очень низкой величины. Схематически зависимость тока через диэлектрик от напряжения может быть представлена графиком (рис.2.24).

Рисунок 2.25. Типовая зависимость U_пр от Е_пр от толщины керамического диэлектрика.

В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения, как диэлектрика, так и электродов. После снятия напряжения в пробитом твердом диэлектрике может быть обнаружен след пробоя в виде проби­того (откуда и название явления пробой), про­плавленного, прожженного и т. п. отверстия, вообще говоря, неправильной формы. При по­вторном приложении напряжения к ранее под­вергавшейся пробою твердой изоляции, пробой по месту прежнего пробоя, как правило, проис­ходит при сравнительно низком напряжении. Если же пробой произошел в жидком или газообразном диэлектрике, то в силу большой подвижности частиц после снятия напря­жения пробитый участок диэлектрика может полностью восстанавливать перво­начальную величину пробивного напряжения (конечно, если мощность и длительность электрической дуги не были настолько значительны, чтобы вызвать существенные необратимые изменения диэлектрика).

Наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, называется пробивным напряжением U_пр, а соответствующую напряженность поля – электрической прочностью диэлектрика Е _пр . Электрическая прочность определяется величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика h в месте пробоя

Е _пр = U_пр/ h (2.69)

Электрическую прочность удобно выражать в МВ/м.

В большинстве случаев при возрастании h величина Е _пр уменьшается, т.е. величина U_пр возрастает с увеличением изоляции не линейно, а медленнее, как показано на рис.2.25. Таким образом, тонкослойная изоляция с точки зрения использования ее электрической прочности предпочтительнее толстослойной. Однако при переходе к особо тонким слоям начинают сказываться неизбежные неоднородности материала и Е _пр опять начинает снижаться.

Пробой твердых диэлектриков

Физическая природа пробоя твердых ди­электриков весьма различна. Различают несколько видов пробоя: электрический про­бой макроскопически однородных диэлект­риков, электрический пробой неоднородных диэлектриков, электротепловой пробой, электрохимический пробой.

Электрический пробой однородных ди­электриков по своей природе является чисто электронным процессом, заключающимся в образовании в диэлектрике электронной лавины из небольшого числа электронов под действием сильного электрического поля. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием, он протекает в течение 10^-7 — 10^-8 с. При электрическом пробое однородных ма­териалов большое значение имеет неоднородность электрического поля. Пробивные напряжения в однородном и резко неоднородном полях сильно различаются. Таким образом, одни и те же образцы в полях разной степени неоднородности обнаруживают разные значения электрической прочности.

Из числа неоднородных диэлектриков электрический пробой ча­ще всего наблюдают в твердых диэлектриках, обладающих порис­тостью. Пористость определяется самой природой диэлектрика, на­пример у волокнистых материалов, или появляется в процессе экс­плуатации, например в слоистой изоляции, на основе слюды. Нали­чие газовых (воздушных) включений в таких диэлектриках приво­дит при повышенных напряжениях к развитию ударной ионизации газа. Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающе на основной твердый компонент изоляции вследствие бомбардиров­ки ионами и электронами. Электрический пробой неоднородных ди­электриков также отличается достаточно быстрым развитием. Пробив­ные напряжения невысоки и весьма мало отличаются друг от друга в однородном или неоднородном полях.

У многих технических диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения она резко падает с увеличением температуры, что говорит о появлении электротеплового пробоя.

На значение электрической прочности диэлектрика непосредственно влияет вид напряжения и время его воздействия. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших на­пряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.

Причиной электротеплового пробоя твердого диэлектрика явля­ется его разрушение под влиянием тепла, выделяющегося в результате диэлектрических потерь. Электротепловой пробой возникает в случае, когда количество тепла, выделяющегося внутри диэлект­рика за счет диэлектрических потерь, будет больше количества тепла, отводимого в окружающую среду. Для расчета напряжения электротеплового пробоя электроизо­ляционных материалов можно пользоваться формулой, выражаю­щей условие теплового равновесия:

(2.70)

где U — приложенное напряжение, f - частота, Гц; С — емкость диэлектрика, Ф; S — площадь поверхности диэлектрика, м²; t — температура поверхности диэлектрика, °С; t_o — температура окружающей среды, °С,  - относительная диэлектрическая проницаемость, tg_о – тангенс угла диэлектрических потерь,  - температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь, h – толщина диэлектрика.

Левая часть уравнения определяет электрическую мощность, выделяющуюся в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, правая часть — тепловую мощность, отводимую от диэлектрика в окружающую среду. В состоянии теплового равновесия тепловой пробой отсутствует. Но так, как tg обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической температуры, левая часть уравнения становится больше правой. Следовательно, тепловыделение превысит теплоотдачу и диэлектрик будет быстро нагреваться, что приведет к его разрушению (обугливанию, расплавлению).

Для инженерных расчетов рекомендуется формула

, (2.71)

где К – числовой коэффициент, равный 1,15 10⁵, если все величины имеющие размерности, выражены в единицах СИ;  - коэффициент теплопередачи системы: диэлектрик – металл электродов.

Таким образом, пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты электрического поля, ус­ловий охлаждения, температуры окружающей среды. Кроме того, напряжение электротеплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследствие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значе­ния пробивных напряжений при электротепловом пробое, чем неор­ганические. Электротепловой пробой наиболее вероятен при повышенных температурах (как самого диэлектрика, так и окружающей среды), при высокой частоте и при длительном воздействии напряжения. При импульсных напряжениях электротепловой пробой обычно не успевает развиться из-за недостаточной длительности воздействия напряжения.

В условиях, когда принципиально возможен электротепловой пробой, надо применять электроизоляционные материалы с малым tg и высокой его температурной стабильностью; желательно ис­пользовать материалы и системы изоляции, обеспечивающие повы­шенную теплопроводность.

Электрохимический пробой обусловлен химическими процесса­ми, происходящими в диэлектрике под воздействием электрическо­го поля. Химические изменения приводят к старению диэлектрика, т. е. к постепенному необратимому уменьшению сопротивления, а следовательно, к постоянному снижению электрической прочности. Старение особенно заметно проявляется при постоянном напряже­нии и низких частотах, в условиях повышенных температуры и влажности воздуха. Электрохимический пробой для своего развития требует длительного времени.

Старение свойственно, в первую очередь, органическим диэлект­рикам, в которых оно обусловлено, прежде всего, развитием иониза­ционного процесса в воздушных включениях с выделением озона и оксидов азота, приводящих к постепенному химическому разруше­нию изоляции. Однако старение может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности, электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Рисунок 2.26. Формы диэлектрических изоляторов для предотвращения поверхностного пробоя.

Поверхностный пробой диэлектрика возникает вследствие недопустимо больших поверхностных токов. По сути, поверхностный пробой не разрушает твердый диэлектрик, но появление токоведущего канала в газообразном диэлектрике вблизи поверхности твердого диэлектрика снижает пробивное напряжение. Значение поверхностного пробивного напряжения зависит от влажности, наличии на поверхности загрязнений, трещин, шероховатости, а также от конфигурации электродов, формы твердого диэлектрика, давления и температуры. Чем сильнее выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем меньше пробивное напряжение. Для борьбы с поверхностным пробоем заменяют воздух жидким диэлектриком, очищают поверхность твердого диэлектрика и создают ребристые поверхности твердого диэлектрика (рис. 2.26), что делает более длинным разрядный промежуток.