Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

Для получения достоверных результатов испытания твердых диэлектриков на пробой необходимо соблюдать определенные требования, которые позволяли бы разным авторам получать одинаковые данные. К таким требованиям можно отнести условия создания электрического поля заданной конфигурации. Чтобы электрическое поле было контролируемым, необходимо исключать влияние различных побочных факторов, к которым можно отнести: развитие краевых разрядов, искажающих поле в образце, образование внутренних механических напряжений при изготовлении образцов, неплотность прилегания электродов к поверхности образца и др.

Кроме того, при проведении испытаний на пробой необходимо учитывать статистический характер пробоя, влияние на Епр влажности

окружающей среды, температуры, длительности приложения напряжения (скорости его подъема) и др. факторов. Рассмотрим некоторые из этих факторов.

8.1. Статистический характер пробоя твердых диэлектриков

При испытании на пробой одинаковых образцов одного и того же твердого диэлектрика пробивные напряжения могут значительно отличаться (в 2 раза и более). В связи с этим возникает необходимость испытания на пробой большого количества одинаковых образцов, а с другой стороны, из полученных значений пробивного напряжения необходимо выбрать такое значение, которое наилучшим образом характеризовало бы твердый диэлектрик. Причинами разброса в пробивных напряжениях отдельных образцов могут быть различия в состоянии поверхности электродов и в основном катода и различия в объемных свойствах отдельных образцов (плотность вакансий, дислокации, микротрещины, примеси).

Некоторые авторы учитывают то, что при воздействии на образец твердого диэлектрика электрического поля в нем появляются механические напряжения, что может сопровождаться увеличением плотности дислокации. Исходя из этого они предлагают учитывать минимальные пробивные напряжения, так как в этом случае возникает меньше дополнительных дислокаций. Однако эта точка зрения вряд ли приемлема, так как низкой электрической прочностью будут обладать образцы, содержащие грубые нарушения структуры.

168

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

Другие авторы предлагают учитывать лишь максимальные значения пробивных напряжений, которые, по их мнению, соответствуют наиболее совершенным образцам. Эта точка зрения, видимо, в наибольшей степени соответствует истине, так как большинство нарушений в образце ведет к снижению электрической прочности. Большинство исследователей придерживаются именно этой точки зрения, но считают, что максимальные значения пробивного напряжения иногда могут носить случайный характер, связанный с какими-либо ошибками при измерениях. Поэтому предлагается строить зависимость пробивного напряжения от вероятности пробоя (рис. 8.1) и брать значения,

близкие к максимальным, например при вероятности пробоя ψ =90%.

где n – общее число образцов. Следует отметить, что вышесказанное относится к случаю пробоя

образцов в поле, которое считается однородным. В случае неоднородного поля, например при электродах острие–плоскость, разброс пробивных напряжений может быть также обусловлен тем, что электродыострия у различных образцов отличаются по величине радиуса закругления. Тогда образец с большим радиусом при вершине электродаострия может иметь более высокое пробивное напряжение. Если радиусы закругления электродов у отдельных образцов не отличаются, то можно, по-видимому, определять характерное значение Unp при веро-

ятности ψ =90 %.

В случае исследования на пробой практической изоляции очень важно знать минимальные значения Unp , так как по этим значениям

может быть установлено рабочее напряжение аппарата, в котором применяется эта изоляция. Однако во всех случаях на графиках зависимости Unp от какого-либо фактора следует показывать величину разброса

Unp .

169

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

8.2. Минимальное пробивное напряжение

Систематическое изучение электрического пробоя макроскопически однородных диэлектриков (стекло, сера, фарфор) при изменении степени неоднородности электрического поля было проведено в работах А.Ф. Вальтера и Л.Д. Инге. В случае стекла и серы использовались образцы в виде пробирок с плоским дном. Параллельно плоскости дна в стекло впаивалась платиновая проволока различного диаметра D и на различном расстоянии от дна, которая служила одним из электродов. Вторым электродом являлась ртуть, налитая в пробирку. Таким образом, получались электроды плоскость – цилиндр, электрическое поле между которыми может быть рассчитано по известным формулам. Степень неоднородности поля регулировалась изменением диаметра проволоки и ее расстояния от плоскости дна. На рис. 8.2 изображена зави-

симость пробивного напряжения стекла от его толщины при различной степени неоднородности электрического поля.

Здесь кривая 1 соответствует максимальным пробивным напряжениям, полученным для случая однородного электрического поля. По мере увеличения степени неоднородности электрического поля путем уменьшения диаметра D проволочного электрода, когда толщина образца остается неизменной, пробивное напряжение снижается (кривые 2, 3, 4, 5). Кривая 6 соответствует минимальным пробивным напряжениям для данного типа диэлектрика, которые

остаются неизменными, как бы ни увеличивалась степень неоднородности поля. Таким образом, полученные результаты показывают, что пробой в стекле при неоднородном поле наступает только тогда, когда напряженность поля в некотором объеме диэлектрика достигает предельного (пробивного) значения, т.е. электрической прочности. В данном случае область наибольшей напряженности поля сосредоточена вблизи проволочного электрода. Аналогичные закономерности были также получены при пробое серы и фарфора. Однако для этих материалов расхождения между пробивными напряжениями в однородном поле и минимальными пробивными напряжениями в неоднородном поле менее значительны. При этом оказалось, что экспериментальные значения пробивного напряжения лежат выше расчетной кривой, соот-

170

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

ветствующей минимальным пробивным напряжениям при заданной неоднородности поля.

Факт наличия минимального пробивного напряжения показывает, что недостаточно наличия критической напряженности поля только на поверхности электрода. Здесь можно провести аналогию с коронным разрядом в газе. Вероятно, что-то подобное имеет место и в твердом диэлектрике. Наличие разрядов около электрода с большой кривизной приводит к появлению неполных пробоев. При развитии разряда часть напряжения падает на уже развившемся канале разряда, и если поле в окружающем пространстве слабое, то напряженность поля на головке разряда оказывается недостаточной для ионизационных процессов. При этом развитие разряда приостанавливается – получается неполный пробой. Поэтому пробой на всю толщину диэлектрика может развиться при напряжении не менее минимального пробивного напряжения.

8.3.Неполный пробой и последовательный пробой

Вслучае резконеоднородного поля или при очень малой длительности воздействующего напряжения в твердых диэлектриках возникают каналы неполных пробоев, как следствие протекающего тока разря-

171

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

С повышением амплитуды импульса длина каналов разряда возрастает и при некотором, достаточно высоком напряжении эти каналы прорастают сквозь толщу диэлектрика. Разряды оставляют тонкие нитевидные следы в диэлектрике. Существенно, что прорастание канала разрядов сквозь толщу диэлектрика еще не означает его полного пробоя. Для того чтобы пробить диэлектрик, т.е. перевести его в стадию разрушения, необходимо повысить амплитуду импульса выше той, при которой начали развиваться разряды. Пробой диэлектрика, таким образом, будет заключаться, во-первых, в прорастании разряда через толщу диэлектрика, а во-вторых, в образовании канала повышенной проводимости, который требует, чтобы на пути разряда выделилось достаточно большое количество энергии.

Интересно, что при повторении импульсов канал неполного пробоя возникает каждый раз в новом месте, т.е. последующие разряды не идут по пути предыдущих. Возможно, это связано с тем, что в ранее образованных каналах неполного пробоя за счет их повышенной проводимости напряженность электрического поля оказывается недостаточной для дальнейшего развития разряда и разряд пойдет по новому пути, где эта напряженность поля будет больше.

Явление неполного пробоя, по-видимому, присуще всем твердым диэлектрикам, хотя характер роста разрядов и зависимость их длины от длительности и амплитуды импульса и крутизны фронта различны для разных диэлектриков. В том случае, когда неполный пробой вызывает такие изменения в диэлектрике, которые полностью или частично сохраняются, последовательный ряд неполных пробоев должен вызвать полный его пробой. Этот вид пробоя при многократно повторяющихся импульсах был назван Вулом последовательным пробоем. Развитие такого последовательного пробоя при определенных условиях сопро-

172