5.7. Пробой твердых диэлектриков.

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохождения тока нежелательными путями. Находясь под напряжением, твердая электрическая изоляция не может выдерживать любые его значения. При некотором критическом напряжении, превышающем Uрaб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлектрик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает пробой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением. При пробое в твердой изоляции образуется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при повторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения.

Пробой твердой изоляции электротехнического устройства означает аварию. Электротехническое устройство с пробитой твердой изоляцией эксплуатировать нельзя, оно требует ремонта — замены детали с пробитой изоляцией или устройства в целом.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков: электрическую, электротепловую и электрохимическую, — каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в зависимости от его состояния и внешних условий — наличия дефектов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, характера электрического поля (постоянное, переменное или импульсное, низкой или высокой частоты) и т. п. Наиболее часто встречаемой и наиболее хорошо изученной является электротепловая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может протекать самостоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завершается другой.

Электрический пробой. На практике электрический пробой твердых диэлектриков обычно происходит при попадании в электроустановку грозового разряда (молнии) или в результате коммутационных перенапряжений. Эта форма пробоя не обусловлена ни тепловыми процессами (электротепловой пробой), ни ионизационными, тепловыми или электролитическими процессами (электрохимический пробой). Электрический пробой происходит, когда практически исключено влияние диэлектрических потерь, частичных электрических разрядов в порах изоляции и на ее поверхности (около электродов) и т.п.

В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследствие образования в диэлектрике между электродами плазменного газоразрядного канала, в формировании которого участвуют эмиссионные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания Iкз.

Напряженность поля, при которой происходит электрический пробой твердых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10³МВ/м и более. Такие высокие значения Епр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую (в ~10³раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую среднюю дайну свободного пробега электрона λ. Поэтому для образования электронных лавин необходимы более высокие значения напряженности поля, чем у воздуха.

Получить чисто электрическую форму пробоя трудно. Обычно на этот вид пробоя накладывается электротепловая или электрохимическая форма пробоя.

Электротепловой пробой.

Электротепловой пробой твердых диэлектриков на практике встречается чаще, чем другие формы пробоя. Возникает он вследствие нарушения в диэлектрике теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи и проявляется в тепловом разрушении материала (расплавлении, прожиге и т. п.) в месте наибольших диэлектрических потерь.

Под действием диэлектрических потерь, обусловленных релаксационными видами поляризации и электропроводностью, протекает процесс тепловыделения, материал диэлектрической конструкции нагревается. Повышение температуры сопровождается возрастанием диэлектрических потерь и, следовательно, дальнейшим увеличением количества выделяемого тепла. Образующееся тепло в результате высокой теплопроводности металла токопроводящих частей электроустановки, а также конвекции воздуха (или жидкого диэлектрика) отводится от диэлектрика в окружающую среду — идет процесстеплоотдачи. Если при этом тепловыделение превысит теплоотдачу, то разогрев диэлектрика приведет в конечном счете к тепловому разрушению материала и потере электрической прочности.

Обычно тепловое разрушение происходит в виде проплавления или прожигания узкого канала в месте наибольшей структурной неоднородности — наибольшей дефектности материала (например, в микротрещине или поре, заполненной влагой). В этом месте возникают наибольшие релаксационные потери и наибольшая плотность тока проводимости и, следовательно, наибольшее количество выделяемого тепла.

Процесс тепловыделения характеризуется мощностью Р, Вт, рассеиваемой в диэлектрике, и выражается уравнением диэлектрических потерь

Процесс теплоотдачи характеризуется мощностью РТ, Вт, отводимой от диэлектрика, и выражается с помощью формулы Ньютона

где σ— коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);S— площадь поверхности диэлектрика, м²;Т— температура поверхности диэлектрика, К (считается, что температура по всему объему диэлектрика и на его поверхности одинаковая и равнаТ);Т₀— температура окружающей среды, К.

В случае теплового равновесия (Р = Р_Т) имеем

Из этого уравнения можно получить значение пробивного напряжения при заданной рабочей температуре, частоте напряжения и параметрах диэлектрика. При расчетах необходимо учитывать температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.