19. Электрический и электротепловой пробой в твердых диэлектриках.

Электрический пробой твердых диэлектриков, как и пробой газов, связан с ускорением движения электронов под действием электрического поля. Электроны в твердых телах связаны с отдельными атомами или с группой атомов. В местах структурной неоднородности материала эта связь является наиболее слабой, кроме того в диэлектриках есть свободные электроны — электроны проводимости. Число свободных электронов характеризует ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении. При обычных температурах число свободных электронов незначительно. С повышением температуры и напряженности электрического поля растет проводимость и увеличивается энергия, передаваемая электронами кристаллической решетке материала, которая рассеивается в толще диэлектрика в виде тепла. Это вызывает непрерывный рост температуры и в конечном итоге приводит к пробою. Напряжение, при котором происходит пробой, характеризует электрическую прочность диэлектрика. Из изложенного следует, что электрический пробой твердых диэлектриков является результатом температурной неустойчивости электронов.

Следует отметить, что микроскопические дефекты мало снижают электрическую прочность, если основная структура материала не разрушена. Значительное снижение электрической прочности диэлектрика вызывается видимыми дефектами.

Пробивное напряжение растет пропорционально толщине диэлектрика. Закономерность эта нарушается в очень тонком слое: при толщине слоя диэлектрика в пределах микрона электрическая прочность возрастает.

Условия для электрического пробоя в неоднородном поле прежде всего возникают у электродов с большой кривизной, где начинается разрядный канал. По каналу высокая напряженность поля передается в вглубь промежутка, длина канала увеличивается и заканчивается пробоем диэлектрика. В твердой изоляции, так же как и в газовом промежутке, действует барьерный эффект. Для создания его в изоляции вблизи электрода с наибольшей кривизной закладывается барьер из тонкой высокопрочной пленки.

При импульсной подаче напряжения возможны частичные разряды, которые, разрушая часть изоляции, приводят к постепенному снижению электрической прочности изоляции в целом. Так, например, при приложении напряжения к листу кабельной бумаги в течение 5 мкс при первом импульсе пробой произошел при =400 кВ, при втором тоже при £7=400 кВ, при третьем при <7=350 кВ и при четвертом при 11=60 кВ. Пробой под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом.

При наличии в изоляции дефектов возможно образование в диэлектрике каналов с повышенной проводимостью. Выделяющееся в этом канале тепло создает тепловой поток. С увеличением разности температур в канале и остальном диэлектрике будет расти проводимость канала и соответственно выделяющаяся при этом мощность. Если приложенное к диэлектрику напряжение выше пробивного, то температура внутри канала будет быстро расти и в течение очень малого отрезка времени произойдет пробой.

20. Потери энергии в диэлектриках. Механизмы потерь в переменных и постоянных электрических полях.

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также tg этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90° , при этом угол d будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tg j .

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

диэлектрические потери сквозной электропроводности;

ионизационные диэлектрические потери;

диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери по природе и особенностям можно подразделить на 4 вида:

1) Потери на электропроводность – обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность.

2) Релаксационные потери – обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Эти потери характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на частотной и температурной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь, определяемых временем релаксации.

3) Ионизационные потери – свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери – наблюдаются в некоторых газах на строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Здесь так же характерно наличие максимума на частотной зависимости tg δ, однако при изменении температуры максимум не смещается.