2.3.Пробой твердых диэлектриков

Втвердых диэлектриках могут возникать четыре вида пробоев:

•электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-

триков;

•электрический пробой макроскопически неоднородных твердых диэлектриков;

•электротепловой (тепловой) пробой;

•электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлек-

триков развивается аналогично электрическому пробою в газообразных диэлектриках в результате осуществления процесса ударной ионизации, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих разогрев диэлектрика.

В связи с этим зависимости электрической прочности и пробивного напряжения твердых диэлектриков от толщины и конфигураций электродов анологичны таким же зависимостям для газообразных диэлектриков (рис. 2.1,

рис. 2.3).

Электрический пробой неоднородных диэлектриков характерен для технических диэлектриков, в структуре которых имеются поры и капилляры, заполненные газообразным диэлектриком. Чаще всего таким газообразным диэлектриком является воздух. Так как электрическая прочность воздуха значительно меньше электрической прочности твердых диэлектриков, то наличие капилляров и пор в структуре твердых диэлектриков обуславливает значительно меньшую электрическую прочность неоднородных диэлектриков по сравнению

соднородными.

Сростом толщины неоднородного твердого диэлектрика наблюдается уменьшение его электрической прочности, так как возрастает количество газовых включений.

Электрическая прочность неоднородных твердых диэлектриков зависит от однородности и неоднородности электрического поля. Но, в отличие от газообразных и однородных твердых диэлектриков, электрическая прочность неоднородных твердых диэлектриков может быть в неоднородном поле больше, чем

воднородном. Это связано с тем, что при большей площади электродов, между

16

которыми создается однородное поле, возрастает количество слабых мест (пор, капилляров, трещин и т. д.), приводящих к снижению электрической прочности твердого диэлектрика.

Электротепловой (тепловой) пробой связан с разогревом материала в электрическом поле за счет возрастания сквозной электропроводности и диэлектрических потерь, приводящих к потере изоляционных свойств материала. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и т. п.

Установившийся температурный режим возникает тогда, когда выделение тепла в изоляционном материале равняется теплоотдаче в окружающую среду. Этот режим описывается следующим уравнением:

где U — напряжение на электродах; ω — угловая частота; с — емкость изоляционного материала; tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь изоляционного материала; σ — коэффициент теплоотдачи; S — поверхность изоляционного материала; tраб — температура изоляционного материала; tо — температура окружающей среды.

На рисунке 2.4 построены зависимости мощности диэлектрических потерь Ра и мощности теплоотдачи Pt от температуры.

Рис. 2.4. Зависимость мощности диэлектрических потерь и мощности теплоотдачи изоляционного материала от температуры

17

Как видно из рис. 2.4, зависимость Ра1 = f(t) имеет две точки пересечения с прямой Рt = f(t) и, следовательно, два установившихся режима при t1раб и t1кр. Учитывая, что в условиях эксплуатации не исключается дополнительный разогрев изоляционного материала за счет посторонних источников тепловой энергии, рабочая температура может случайно возрасти. Если с учетом возможного возрастания t1раб < t1кр, то тепловой пробой не произойдет, так как количество тепла, выделяемое внутри диэлектрика, возрастает медленнее, чем увеличивается теплоотдача. Если за счет дополнительного нагрева установится соотношение t1раб >t1кр, то количество тепловой энергии, выделяемой в изоляционном материале, превысит теплоотдачу, и температура будет расти до полного разрушения диэлектрика. С ростом напряжения зависимость Ра = f(t) смещается вверх (см. кривую 3, полученную при U2 >U1). При тех же самых условиях охлаждения повышение напряжения приводит к росту рабочей температуры (t2раб > t1раб) и уменьшению критической температуры (t1кр > t2кр).

Таким образом, как видно из рис. 2.4, увеличение напряжения приводит к возрастанию рабочей температуры за счет роста количества тепла, выделяемого в материале.

Выделение тепловой энергии вследствие диэлектрических потерь приводит к увеличению электрической прочности диэлектрика. На рис. 2.5 приведены зависимости электрической прочности и пробивного напряжения твердого диэлектрика от толщины при электрическом и электротепловом пробоях.

Eпр Uпр

Uпр =f (h)— электрич. пробой

Uпр =f (h)— электротепл. пробой

Рис. 2.5. Зависимости электрической прочности и пробивного напряжения от толщины диэлектрика

18

Как видно из рис. 2.5, электрическая прочность изоляционного материала при электротепловом пробое меньше, чем при чисто электрическом пробое.

Уменьшение электрической прочности при электротепловом пробое связано, с одной стороны, с разрушением структуры строения изоляционного материала (растрескивание, обугливание и т. д.), когда рабочая температура превышает критическую. С другой стороны, электрическая прочность при электротепловом пробое меньше, чем при электрическом даже в том случае, когда рабочая температура не превышает критическую. Такое явление можно объяснить следующим образом: с ростом температуры изоляционного материала увеличивается кинетическая энергия теплового хаотического движения заряженных частиц и нейтральных молекул твердого диэлектрика. Возрастание энергии теплового хаотического движения молекул приводит к тому, что полю необходимо сообщить меньшую дополнительную энергию движущихся заряженных частиц, чтобы последняя могла ионизировать нейтральную молекулу при столкновении с ней. И, следовательно, выполнение условия развития ударной ионизации наступает при меньшем напряжении, подаваемом на электроды.

19