Физическая природа пробоя диэлектриков

По физической сущности развития пробоя различаются два основных, наиболее распространенных на практике, вида про­боя: тепловой и чисто электрический пробой.

Тепловой пробой связан с нагревом диэлектрика за счет диэлектрических потерь. Этот вид пробоя развивается следующим образом: когда на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется тепло потерь, температура его возрастает. Вследствие этого потери еще более увеличиваются, и процесс идет усили­ваясь, до тех пор, пока диэлектрик не разогреется настолько, что он будет разрушен (расплавлен, обуглен и т. п. в зависимости от природы материала) и в нем устано­вится большой ток, что, собственно, и представляет собой пробой. При этом, вообще говоря, нет надобности в том, чтобы был сильно разогрет весь объем диэлектрика: для возникновения пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место диэлектрика, в котором хуже теплоотдача или удельные потери повышены, а средняя температу­ра диэлектрика может оставаться мало отличающейся от начальной.

Электрический пробой объясняется непосредственным разрушением структуры диэлектрика силами электрического поля.

В ряде случаев встречаются явления пробоя, не укладывающиеся в рамки картин теплового и электрического пробои, например, электрохимический пробой, вы-зываемый химическими изменениями в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического напряжения (электролиз в диэлектрике, влияние озона при возникновении короны и т. п.).

В одном и том же материале при изменении условий пробоя (температуры, частоты напряжения, условий охлаждения и пр.) может наблюдаться изменение характера пробоя.

Различия в характере пробоя относятся лишь к развитию пробоя. После того как пробой уже произошел, дальнейшие явления (образование электрической дуги, рас­плавление, обгорание, растрескивание и т. п. материала) объясняются уже природой материала и мощностью источника электрической энергии, но не имеют связи с физи­ческим механизмом развития пробоя.

Зависимость пробивного напряжения и пробивной прочности

от различных факторов

Зависимость от времени приложения напряжения. Развитие теплового про­боя требует накопления в диэлектрике тепла, на что нужно некоторое время — тем меньше, чем больше приложенное к диэлектрику напряжение. Зависимость пробивного напряжения (для теплового механизма пробоя) от времени приложения напряжения (экспозиции) t называется «кривой жизни» изоляции.

Если мы приложим к диэлектрику напряжение U₁ на промежуток времени, меньший, чем t₁, и затем снимем напряжение, то диэлектрик еще не успеет разогреться и не будет пробит. Диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряже­ние, величина которого меньше, чем напряжение U_∞ , к которому асимптотически стремится при увеличении времени экспозиции.

При электрическом пробое, который разви­вается практически мгновенно, нет зависимости пробивного напряжения от времени выдержки, т. е. если пробой не произошел тотчас после приложения напряжения, то диэлектрик должен выдерживать ту же величину напряже­ния длительно (если не иметь в виду пробоя крат­ковременными, порядка 0,1… 1 мксек — импуль­сами напряжения).

Отношение «импульсного» пробивного напря­жения изоляции к пробивному напряжению при медленном подъеме напряжения называется коэффициентом импульса данной электроизоля­ционной конструкции. Коэффициент импульса за­висит от формы и размеров изоляции и электро­дов и от материала диэлектрика; как правило, коэффициент импульса больше единицы.

Зависимость от температуры. При повышении температуры пробивное напряже­ние в случае теплового пробоя уменьшается. В случае же электрического пробоя от температуры обычно практически не зависит; однако у некоторых кристаллических диэлектриков и при электрическом пробое обна­руживается имеющая максимум зависимость от температуры.

Электрическая прочность гигроскопичных диэлектриков зависит также от влаж­ности, уменьшаясь при возрастании последней.