19. Электрический и тепловой пробой.

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 Upаб, 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.

Кроме указанных трех видов пробоя, в литературе встречаются высказывания о возможности других разновидностей пробоя или промежуточных его форм: электромеханической, электротермомеханической и др. Однако существование этих разновидностей оконча­тельно не доказано.

5.4.1. 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 электрическим старением (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.

Существенное влияние на механизм электрического пробоя оказывает отрицательный объемный заряд, образующийся при инжекции электронов из катода за счет их захвата ловушками диэлек­трика.

На основании имеющихся экспериментальных данных механизм электрического пробоя твердых диэлектриков выглядит следующим образом. На начальной стадии из-за неполного пробоя образуется прерывистый канал небольшого диаметра (у NaCl менее 1мкм). Да­лее, в результате увеличения плотности тока до 10⁸—10⁹ А/м² , канал проплавляется до диаметра 10—12 мкм и начинает прорастать к про­тивоположному электроду. Вокруг прорастающего канала наблюда­ется свечение прилегающей области, диаметр которой намного боль­ше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока в разрядной цепи Iкз, т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлек­триках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, вет­вящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направ­лений. Времени, необходимого для образования канала пробоя, тре­буется в 10—100 раз больше, чем при пробое воздуха.

С точки зрения зонной теории твердого тела, механизм электронной ударной ио­низации можно представить следующим образом. Электрон, находящийся в зоне про­водимости (ЗП) (свободный электрон), разгоняясь под действием электрического поля, увеличивает свою энергию. Эту приобретенную (добавочную) энергию электрон с некоторой вероятностью может передать другому электрону, находящемуся в ва­лентной зоне (ВЗ). В случаях, когда энергия, получаемая электроном, находящимся в ВЗ, будет равна или больше ширины запрещенной зоны (33) ∆W (∆Wравна энергии ионизации Wи), этот электрон из ВЗ перейдет в ЗП. Если при этом сам ионизирую­щий электрон остается в ЗП, то происходит лавинное увеличение электронов в ЗП. Наступает пробой.

Напряженность поля, при которой происходит пробой твер­дых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10³ МВ/м и более. Такие высокие значения Епр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую (в ~1000 раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую величину средней длины 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 (и) электрохи­мическая форма пробоя. Чтобы исключить (или снизить) различные побочные влияния на электрическую форму, пробой производят на импульсах напряжения в среде жидкого диэлектрика, ε которого больше, чем ε испытуемого образца. Для электрического пробоя ха­рактерны:

а) малое время развития пробоя (10^-6с и менее);

б) незначительная зависимость Епр (практически не зависит) от толщины образца при h ≥ 10—20 мкм и времени приложения напря­ жения при τ ≥ 10^-7 — 10^-6 с. При толщине образца менее 10—20 мкм имеет место электрическое упрочнение — существенное увеличение Епр при уменьшении h.

При электрической форме пробоя величина Епр существенно за­висит от плотности упаковки структурных элементов диэлектрика, т-е. от плотности упаковки ионов — при ионном строении, моле­кул — при молекулярном строении, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структур (типа и размера) — у полимеров. Плот­ность упаковки структурных элементов, в свою очередь, зависит от химического состава и строения диэлектрика.