5.4.2. 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 током сквозной проводимости, 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 процесс теплоотдачи. 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 и, следовательно, наибольшее количество вы­деляемого тепла.

Упрощенным расчетом пробивного напряжения при электротеп­ловом пробое диэлектрической конструкции является графоаналити­ческий метод. Этот метод позволяет оценить значения Unp и Uраб и, главное, наглядно демонстрирует причины, приводящие к электро­тепловому пробою.

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

P=U²ωCtgδ. (5.18)

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

P = σS(T-To), (5.19)

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

Рис. 5.19. Температурные зависимости мощности тепловыделения Р (1 и 2) и мощности теплоотдачи Pт с поверхности детали (3)

В случае теплового равновесия (Р = Рт) имеем

U²ωCtgδ.= σS(T-To) (5.20)

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графи­ческим построением зависимости Р и Рт от температуры (рис. 5.19).

На диэлектрическую конструкцию подадим напряжение U1. В диэлектрике возникнут процессы тепловыделения (кривая 1) и те­плоотдачи (прямая 3). Кривая 1 пересекает прямую 3 в двух точках, соответствующих T1раб и T1кр. За счет тепла, выделяемого в результате диэлектрических потерь, материал конструкции нагреется до некото­рой температуры, равной T1раб, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия между тепловыделением и тепло­отдачей (Р = Рт). Однако под действием кратковременных перена­пряжений, потерь в магнитопроводах и проводниках, посторонних случайных источников тепла диэлектрик может нагреться до темпе­ратуры, превышающей Т1раб.

Если эта температура станет равной или большей Т1кр, то выделяемая мощность превысит мощность отводи­мого тепла; наступит тепловое разрушение

— электротепловой про­бой. Следовательно, максимально допустимая температура нагрева диэлектрика за счет посторонних источников тепла должна быть ниже Г1кр. В данных условиях напряжение £/, будет не опасным для нормальной работы диэлектрической конструкции.

Повысим напряжение до значения U2. Мощность тепловыделе­ния в данном случае будет характеризоваться кривой 2, а значение Т2Раб в результате сильно возросших диэлектрических потерь станет равным Т2кр. В этом случае никакого теплового равновесия между Р И Рт не произойдет, поэтому температура диэлектрика начнет безгра­нично возрастать вплоть до температуры его теплового разрушения. Наступит электротепловой пробой.