3.3.3. Электрический пробой твердой изоляции

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» T_э. С повышением температуры T_э и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 2.4. С повышением температуры T_э растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В в точках 1 и 2. При напряженности внешнего поля E_пр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность E_пр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

С повышением температуры диэлектрика T_о кривая В сдвигается вправо, и напряженность Е_пр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков. Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т.е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках. При толщине диэлектрика в несколько мирон электрическая прочность E_пр резко возрастает.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большой кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем промежутка. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной.

Рис. 2.4. Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А) и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа T_э при разных напряженностях поля Е

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов называется кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.