Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

14.Приведите и объясните график полных потерь в диэлектрике при синусоидальном изменении внешнего поля.

15.Приведите и объясните формулу реактивной составляющей абсорбционного тока.

16.Приведите и объясните формулу активной составляющей абсорбционного тока.

Глава 6. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ

6.1.Основные понятия и определения. Общая характеристика пробоя

Впредыдущих главах, рассматривая те или иные физические процессы (поляризацию, электропроводность и т. п.), протекающие

вдиэлектриках при воздействии на них электрических полей, мы полагали, что эти поля имеют такую напряженность, что диэлектрики практически остаются непроводящими средами, а возникающие очень малые по величине токи сквозной проводимости строго подчиняются закону Ома. Однако это справедливо лишь для слабых электрических полей. При больших напряженностях в диэлектрике могут возникать новые физические явления, переводящие либо весь его объем, либо отдельные области из непроводящего состояния в состояние высокой электропроводности, что резко ограничивает их применение в качестве электрической изоляции. Это физическое явление называют элек-

трическим пробоем диэлектрика.

Таким образом, если к диэлектрику прикладывать однородное, монотонно возрастающее электрическое поле, то при некотором зна-

чении его напряженности, равном Е = Епр (где Епр – электрическая

прочность), диэлектрик в области узкого канала, соединяющего электроды, резко переходит в проводящее состояние.

Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, при ко-

тором образуется проводящий канал, называется пробивным напря-

жением Uпр. Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля, обусловленной конфигу-

232

Глава 6. Пробой диэлектриков

рацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой

является электрическая прочность, или пробивная напряженность

(В · м–1)

прочность называют средней электрической прочностью (средней пробивной напряженностью):

Епр.ср =Uпр d .

Электрическая прочность является одним из важнейших физических параметров диэлектриков.

Значение пробивного напряжения Uпр зависит от длительности его воздействия, параметров диэлектрика, температуры и влажности окружающей среды, теплофизических характеристик материала теплоотвода и т. п. Оно возрастает с увеличением толщины диэлектрика и межэлектродного расстояния.

Если напряженность внешнего поля Е невелика и отвечает условию E < Eпр, то ВАХ диэлектрика линейна и подчиняется закону Ома

(рис. 6.1). Через диэлектрик протекает небольшой по величине ток проводимости (сквозной ток), подробно рассмотренный в гл. 4.

При E ≈ Eпр линейность ВАХ нарушается, ток через диэлектрик резко возрастает, и при E > Eпр дифференциальная проводимость стремится к бесконечности: dIdU → ∞(рис. 6.1). При этом

диэлектрик перестает быть диэлектриком как таковым и напряжение между электродами уменьшается до нуля за счет разряда емкости через образовавшийся плазменный сильнопроводящий канал. Фактически конденсатор становится короткозамкнутым, а на ВАХ возникает участок с отрицательным сопротивлением (показан пунктирной линией на рис. 6.1). В месте пробоя возникает разряд или электрическая дуга.

233

Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

Рис. 6.1. Вольт-амперная характеристика диэлектрика

Рис. 6.2. Виды пробоя: а – полный; б – неполный; в – частичный; г – поверхностный

Пробой может быть:

полным, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их (рис. 6.2, а);

неполным, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов (рис. 6.2, б);

частичным, когда пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердого диэлектрика (рис. 6.2, в).

В твердых диэлектриках кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности – поверхностный пробой (рис. 6.2, г). В этом случае разряд развивается вдоль поверхности твердого диэлектрика в прилегающих слоях воздуха, и напряжение поверхностного разряда Uр стано-

вится ниже, чем пробивное напряжение воздуха (Uпр >Up ). При этом

повреждается поверхность материала, а на органических диэлектриках часто образуется проводящая дорожка, называемая трекингом. Трекинг возникает при наличии загрязнений на поверхности диэлектрика.

234

Глава 6. Пробой диэлектриков

В случае жидкого или газообразного диэлектрика при выключении внешнего поля проводящий канал постепенно исчезает и по истечении некоторого времени свойства материала восстанавливаются. В твердых же диэлектриках после пробоя остается проплавленное или прожженное отверстие неправильной формы. Обычно после единичного пробоя диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, поскольку в канале, как правило, остаются проводящие продукты разложения. Особенно это характерно для органических диэлектриков.

Очевидно, что если диэлектрик используется в качестве электрической изоляции или является диэлектриком обычного конденсатора, то номинальное рабочее напряжение Uраб должно быть меньше Uпр .

Отношение Uпр Uраб называют коэффициентом запаса электриче-

ской прочности.

Если диэлектрик подвергается воздействию импульсного напряжения, то пробой происходит при бóльших значениях, по сравнению с постоянным или переменным напряжением. Отношение импульсного пробивного напряжения U к статическому пробивному

напряжению Uпр.ст (т. е. к напряжению пробоя при бесконечно малой скорости подъема приложенного к электродам напряжения)

Kимп =Uпр.имп Uпр.ст >1

называют коэффициентом импульса.

При длительном непрерывном воздействии электрического поля высокой напряженности на диэлектрик в нем протекают электрохимические реакции, приводящие к необратимому изменению его электрофизических параметров (обычно в сторону ухудшения). В результате происходит снижение пробивного напряжения или «старение» диэлектрика. В связи с этим зависимость Uпр = f (t ) называют кривой

жизни электрической изоляции.

6.2.Механизмы пробоя

Сточки зрения физической природы, пробой диэлектриков представляет собой сложную совокупность электрических, тепловых, оптических, механических и других физических процессов. В зависимости

235

Раздел 2. Диэлектрические материалы: основные положения физикидиэлектриков

от вида энергетического воздействия, типа кристаллической структуры, температуры, давления и других внешних условий, он реализуется по различным механизмам. Это может быть ударная ионизация, нарушение теплового равновесия (перегрев), электрохимическое старение и др.

Наиболее существенное влияние на механизм пробоя и его развитие оказывает вид диэлектрика. Так, например, пробой газов обусловливается ударной ионизацией, пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных и тепловых процессов, пробой твердых диэлектриков может вызываться как электрическими, так

итепловыми процессами, возникающими под действием поля. При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.

Таким образом, в зависимости от причин, вызывающих пробой,

иего природы, различают несколько механизмов (видов) пробоя диэлектриков:

электрический; электротепловой (тепловой); электромеханический; электрохимический; ионизационный; поверхностный.

Приведем краткую характеристику видов пробоя. Подробно они рассмотрены в следующих параграфах при анализе процессов пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля. Поскольку электрический пробой связан с образованием электронной лавины при ударной ионизации, то его часто называют электронным пробоем. Для него характерно малое время развития предпробойных процессов. Электрическая прочность диэлектрика практически не зависит от температуры, частоты изменения электрического поля и свойств окружающей диэлектрик среды. Как будет показано ниже, электронная лавина инициирует плазменный поток, распространяющийся с помощью процессов фотоэлектрической ионизации. При малой толщине диэлектрика электронный пробой становится многолавинным.

Вобщем случае чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами

236

Глава 6. Пробой диэлектриков

электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика; он развивается практически мгновенно. В случае когда потеря электрической прочности происходит из-за быстрых электронных процессов (электронные лавины, освобождение поляронов и др.), необратимые процессы развиваются за время 10−8–10−5 с.

Электротепловой (тепловой) пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь, когда количество теплоты, выделяющееся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может быть рассеяно в окружающую среду. В результате температура диэлектрика повышается, потери увеличиваются, и процесс продолжается до тех пор, пока диэлектрик не обуглится или не оплавится и его электрическая прочность не упадет до такой величины, что произойдет пробой. Электротепловой пробой развивается за время 10–2–10–3 с, т. е. происходит гораздо медленнее, чем электронный пробой.

Если активная удельная проводимость диэлектрика мала и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости невелик, то при хороших условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду и диэлектрик будет длительно работать при данном напряжении.

При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного на-

пряжения, снижаясь при значительных частотах, а также при возрастании температуры.

Электромеханический пробой сопровождается механическим разрушением и образованием микротрещин под действием электрического поля и механического давления электродов.

Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося пробоя, вызванного необратимыми химическими изменениями в диэлектрике (приводящими к уменьшению сопротивления) под действием электрического поля, особенно при повышенных температурах и влажности воздуха. Процесс этот часто связан со старением диэлектрика и является необратимым, особенно в области дефектов. Электрохимические процессы, приводящие к старению перед пробоем, развиваются еще медленнее, чем тепловые.

Ионизационный пробой обусловлен ионизационными процессами при частичных разрядах в диэлектрике. Он объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при разрядах в газе, а также эрозией

237