Пробой твёрдых диэлектриков

Для твёрдых диэлектриков характерны следующие виды пробоя: 1)электрический пробой; 2) электротепловой пробой; 3) электрохимический пробой.

В зависимости от различных факторов в одном и том же диэлектрике могут возникать указанные виды пробоя.

Электрический пробой по своей природе является электронным процессом, ко­гда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лави­на. Он обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами ди­электрика под действием электрического поля. Согласно теории А.А.Воробьёва, электрическая прочность диэлектриков увеличивается с возрастанием энергии кри­сталлической решётки. В равномерном электрическом поле свободные электроны, появлению которых способствует автоэлектронная эмиссия, ускоряются и, сталки­ваясь с узлами кристаллической решётки, отдают им накопленную энергию. Элек­троны, достигшие критической скорости, производят отщепление новых электронов, и стационарное состояние нарушается вследствие возникновения ударной иониза­ции. В процессе ударной ионизации при взаимодействии носителей зарядов с элек­тронами происходит нарушение химических связей и переход твёрдого вещества в состояние частично ионизированной газовой плазмы, которая распространяется в направлении потока носителей заряда. Потенциал заряда выносится в головную часть канала. Процесс далее идет до тех пор, пока канал не пересечёт весь разряд­ный промежуток.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электро­проводности и диэлектрических потерь, а также отсутствует ионизация газовых включений. Этот вид пробоя протекает практически мгновенно за время с.

Большинство технических диэлектриков отличается неоднородностью структу­ры. Наличие в них включений с повышенной проводимостью и диэлектрической проницаемостью приводит к искажению электрического поля, образуя внутри ди­электрика участки с повышенной проводимостью. Это приводит к уменьшению электрической прочности неоднородных диэлектриков.

В сильно неоднородном электрическом поле в твердых диэлектриках может иметь место эффект полярности, причём меньшее пробивное напряжение соответст­вует положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны. Несмотря на то, что в твердых диэлектриках эффект полярности выражен слабее, чем в газо­образных, различие пробивных напряжений может достигать 20-30%.

Низкой электрической прочностью отличаются пористые диэлектрики. Напри­мер, непропитанная бумага, дерево, керамика и т.д. С целью повышения электриче­ской прочности производится их пропитка или покрытие специальными составами, ограничивающими доступ влаги вовнутрь диэлектрика.

Тепловой пробой твердых диэлектриковвозникает в том случае, когда количе­ство тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, устойчиво превысит то количество энергии, которое диэлектрик способен передать в окружающую среду. Неограниченный рост температуры заканчивается тепловым разрушением диэлектрика. Таким образом, тепловым пробоем называется пробой, обусловленный нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь.

Пробой, как правило, происходит в том месте диэлектрика, где условия тепло-отвода наихудшие, поэтому величина U_np зависит от свойств той среды, в которой находится диэлектрик. С ростом температуры окружающей среды пробивное на­пряжение экспоненциально уменьшается, что связано с увеличением количества энергии, выделяющейся в диэлектрике в результате диэлектрических потерь и уменьшением количества энергии, которую диэлектрик способен отводить в окру­жающую среду.

При пробое толстых образцов теплоотвод от внутренних областей затруднен, поэтому они перегреты больше, и в результате этого по мере увеличения толщины образцов уменьшается.

Уменьшение наблюдается также при длительной выдержке образца под на­пряжением, так как диэлектрик за это время нагревается больше за счёт диэлектри­ческих потерь.

Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряжения при теп­ловом пробое однородного диэлектрика, в котором преобладающими являются по­тери, обусловленные сквозной электропроводностью. Значение рассеиваемой в ди­электрике мощности выражается формулой

(4.2)

Учитывая, что tg8 экспоненциально зависит от температуры, приведенную формулу можно преобразовать к виду

(4.3)

где U -приложенное напряжение^ - частота; -относительная диэлектрическая проницаемость ( считаем её не зависящей от температуры); -тангенс угла диэлек трических потерь при температуре окружающей среды; - температурный коэффи­циент тангенса угла диэлектрических потерь; Т - температура нагретого за счет ди­электрических потерь материала; - температура окружающей среды; S - площадь

электрода; h - толщина диэлектрика.

Если толщина диэлектрика не очень велика, то можно предположить, что тем­пература по всему объёму материала, находящегося между электродами одинакова, то есть краевым эффектом можно пренебречь.

Так как теплопроводность металла электродов на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, то теплоотводом через торцевую поверхность ди­электрика пренебрегаем, и предполагаем, что теплоотвод от нагревающего объёма производится в окружающую среду через электроды. Мощность, отводимую от ди­электрика, выразим с помощью формулы Ньютона:

(4.4)

где - суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду. На рис.4.4 приведены экспоненты тепловыделения при различных

значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи

При приложении напряжения диэлектрик нагревается до температуры Т\, при которой наступает устойчивое тепловое равновесие, так как мощность тепловыде­ления равна мощности, отводимой от образца. Данное напряжение не является опасным для образца, если нагрев до температуры не приводит к механическому или химическому разрушению структуры материала. При превышении температуры диэлектрика по каким-либо причинам, он должен самопроизвольно вернуться в ус­тойчивое состояние в связи с тем, что ордината отводимой мощности больше орди­наты тепловыделения.

Рис.4.4 Зависимости при различных напряжениях и

Повышение напряжения сопровождается нагревом диэлектрика до температуры , когда наступает неустойчивое тепловое равновесие. Незначительное изменение температуры приведёт к превышению мощности тепловыделения над мощностью , отводимой от образца. Температура диэлектрика увеличивается, что с течением времени приводит к его тепловому разрушению. При дальнейшем увеличении на­пряжения ( кривая ) теплового равновесия не наступает и температура диэлек­трика постоянно растет. Напряжение, при котором имеет место неустойчивый гра­ничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя . Его мож­но определить по двум условиям:

Условие (4.5) выполняется только для граничного режима, а условие (4.6) выпол­няется для всех случаев устойчивой работы диэлектрика под напряжением. Используя выражения (4.3 ) -(4.4 ), имеем

(4.7)

(4.8)

Разделив выражение (4.8) на (4.7), получим

(4.9) Подставляя (4.9) в(4.8) и решая его относительно U , определим

(4.10)

где К - числовой коэффициент, равный , если все величины, имеющие раз-

мерности, выражены в системе СИ.

Из полученного выражения следует, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше и диэлектрик толще. Увеличение частоты приложенного напряжения, коэффициента диэлектрических потерь и темпера­турного коэффициента тангенса диэлектрических потерь а уменьшает напряжение пробоя.

Когда перегрев диэлектрика обусловлен только потерями на электропровод­ность, то выражение (4.10) с помощью (3.9) и (2.11) преобразуется к виду

(4.11)

где ; -температурный коэффициент удельной проводимости.

В реальных условиях явление теплового пробоя протекает более сложно , чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика возникает перепад температуры, сред­ний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивле­ние его падает, что приводит к искажению электрического поля и повышению гра­диента напряжённости в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопро­водность материала электродов. Всё это приводит к пробою диэлектрика при более низких напряжениях, чем получаемых из результатов расчёта

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он ха­рактерен для неоднородных диэлектриков, содержащих включения с пониженной электрической прочностью, например, газовые включения. Такое включение можно представить в виде элементарного конденсатора, на обкладках которого при прило­жении внешнего поля начинает накапливаться заряд, В связи с тем, что диэлектри­ческая проницаемость включения всегда меньше значения проницаемости окру­жающего материала, в сечении диэлектрика происходит перераспределение напря­жённости поля, которое приводит к увеличению напряженности во включении. Да­же при умеренном напряжении, приложенном к диэлектрику, напряженность во включении может достичь величины, достаточной для возникновения ионизацион­ного процесса, приводящего к разряду. Пробой газового или жидкого включения диэлектрика называется частичным разрядом.

После завершения разряда, напряжение на включении вновь начинает нарастать до тех пор, пока наступит новый пробой.. Каждый разряд сопровождается нейтрали­зацией некоторого заряда . Для оценки интенсивности ионизации используют произведение среднего значения компенсируемого заряда при одном импульсе на количество импульсов в секунду п. Это произведение имеет размерность тока и получило название относительной интенсивности ионизации.

В результате ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры и связанные с ними термомеханиче­ские напряжения. Это может привести к растрескиванию диэлектрика.

Электрохимический пробойнаблюдается при постоянном и переменном напря­жениях низкой частоты, когда электрическое поле вызывает необратимые измене­ния электроизоляционного материала. Вследствие этого уменьшается электрическое сопротивление до тех пор, пока не наступит пробой. Данный процесс называется электрохимическим старением материала.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, так как он связан с процессом электропроводности. Он может иметь место при высоких часто­тах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождаю­щаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окислов ме­таллов переменной валентности.

Электрохимический пробой диэлектриков имеет существенное значение при по­вышенных температурах и высокой влажности.

Поверхностный пробойпредставляет собой пробой жидкости или газа вблизи поверхности твердого диэлектрика. .В случае поверхностного пробоя электрическая прочность твердого диэлектрика не нарушается, однако образование проводящего канала на поверхности существенно ограничивает рабочее напряжение изолятора.

Чем сильнее выражены гидрофильные свойства диэлектрика , тем значительнее уменьшается поверхностное пробивное напряжение, особенно в условиях повышен­ной влажности.

Значение поверхностного пробивного напряжения во многом зависит от конфи­гурации электродов, габаритных размеров и формы твердого диэлектрика. Когда ди­электрик эксплуатируется на воздухе, то напряжение поверхностного пробоя зави­сит от температуры, давления, относительной влажности воздуха и частоты прило­женного напряжения.

Для предотвращения поверхностного пробоя целесообразно увеличивать длину разрядного пути вдоль поверхности твёрдого диэлектрика. С этой целью создают ребристые поверхности изоляторов, выполняются проточки различных канавок, из­готавливаются конструкции с "утопленными " электродами. Повышение рабочих напряжений достигается также сглаживанием неоднородностей электрического поля за счет изменения формы электродов или оптимизации конструкции изолятора. Аналогичный эффект может быть получен при нанесении на поверхность изолятора полупроводящих покрытий или диэлектрических плёнок с повышенной диэлектри­ческой проницаемостью.

Эффективной мерой борьбы с поверхностным пробоем является замена воздуха жидким диэлектриком. Повышенная по сравнению с воздухом диэлектрическая проницаемость жидкостей способствует снижению напряженности поля на поверх­ности твёрдого диэлектрика, что позволяет повысить рабочее напряжение.

Рассмотрим пример расчёта пробивного напряжения твёрдого диэлектрика на конкретном примере.

Задача. Имеется листовой изоляционный материал "миканит", который состоит и девяти слоев бакелитового лака толщиной по 5мкм, служащих диэлектрической связкой, и десяти слоев, содержащих частицы слюды толщиной по 25мкм. Опреде­лить пробивное напряжение листа миканита в постоянном электрическом поле и в переменном электрическом поле, полагая, что для слюды =75 МВ/м, для лака =50 МВ/м

При расчёте пробивного напряжения миканита заменим его двухслойным кон­денсатором (рис.4.5), суммарная толщина слоев слюды которого равна =25x10 = 250мкм, а суммарная толщина слоев лака = 45мкм. Когда к материалу при-

ложено переменное напряжение

Подставив числовые значения, получим

Рис.4.5. Двухслойный конденсатор. В связи с тем, что , первоначально определим, при каком

внешнем напряжении произойдёт пробой лака

После пробоя лака всё внешнее напряжение будет приложено к слюде, пробой которой произойдет при увеличении внешнего напряжения до значения

При воздействии постоянного поля

Напряжённость поля в слюде значительно больше, чем в лаке, поэтому, пробой миканита произойдёт при внешнем напряжении, соответствующем напряжённости электрического поля в слюде

Литература: [1. с.58-73]

Контрольные вопросы:

1 .Перечислите основные виды пробоя диэлектриков и дайте им краткую характе­ристику.

2.Опишите процесс пробоя газов в однородном электрическом поле и укажите факторы , оказывающие влияние на величину напряжения пробоя.

3.Опишите процесс пробоя газов в неоднородном электрическом поле и укажите основные закономерности его развития.

4.Приведите примеры изменения величины напряжения пробоя от давления на­полняющего газа и расстояния между электродами.

5.Опишите процесс пробоя технических жидких диэлектриков и укажите факто­ры, оказывающие влияние на их электрическую прочность.

6.Перечислите основные механизмы пробоя твёрдых диэлектриков.

7.Опишите закономерности развития электротеплового пробоя.