Глава 5. Электрический пробой

При увеличении напряжения, приложенного к диэлектрическому материалу, наступает момент, когда он больше не способен выступать в роли изолятора и следует полный пробой материала. Типичным для пробоя является то, что это событие локализованное, происходит внезапно и имеет катастрофический характер. Вследствие высокого напряжения, быстрое высвобождение такого количества электрической энергии обычно ведет к выгоранию материала в области пробоя между электродами. Хотя направление пробоя обычно определяется имеющимся локальным дефектом или неоднородностью в материале и его окружении, постараемся очертить ответственные за это свойства материалов. Наличие максимального напряжения, которое изолятор может выдерживать в течение длительного времени до выхода из строя, приводит к понятию электрической прочности диэлектрика, определяемой как напряжение пробоя, деленное на толщину изолятора, т. е. максимальной напряженности электрического поля, которую материал может выдерживать неограниченное время. Собственная электрическая прочность Е_пр однородного твердого тела, несомненно, очень высока, обычно более 100 [MB•м⁻¹], и оказывается при этом фундаментальным, но весьма неопределенным свойством [4].

При пробое твердых диэлектриков принимают действующие (эффективные) значения напряжения U_эф и тока I_эф, так как пробой этих диэлектриков обусловлен не только электронными процессами, но и тепловыми, возникающими в результате диэлектрических потерь.

В Международной системе единиц Е_пp измеряется в вольтах на метр, В/м. На практике в качестве единицы измерения используют киловольт на миллиметр, кВ/мм, для газов — кВ/см:

10 кВ/см = 1 кВ/мм = 1 МВ/м = 10⁶ В/м.

Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) U_pаб берется всегда ниже, чем U_пp изоляции. Отношение U_пp/U_pаб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.

Одна из причин этого — невоспроизводимость результатов полученных для набора тщательно подготовленных одинаковых образцов. Электрическая прочность всегда демонстрируют большой разброс величин. Другими словами, пробой и, в особенности, его инициирование по своей природе являются стохастическими процессами и критическим образом зависят от статистической неравномерности состава и структуры индивидуального образца.

Вторая причина заключается в том, что пробой может произойти по причинам, связанным скорее с окружением образца, его физическим состоянием, чистотой и типом используемого электрода, а не формальным составом и структурой. Именно эти причины обычно лимитируют эффективную прочность изолятора в реальных обстоятельствах, и полностью устранить их не удается. В этих обстоятельствах следует с осторожностью относиться к стандартным тестам электрической прочности твердых тел — в действительности с их помощью не измеряют собственное значение для материала, поскольку возможны преждевременные разряды в окружающей газовой или жидкой среде. Поэтому в промышленности для оценки пробойных характеристик материалов при разработке конкретных изделий предпочитают использовать специально созданные тесты, имитирующие условия эксплуатации. Вдобавок старение и износ материала в течение срока службы, например химическое разложение под действием солнечного излучения и растрескивание под действием механических нагрузок, приобретают особое значение, так как подобные изменения почти всегда приводят к появлению электрически слабых мест. К тому же под действием сильных полей происходит постепенное кумулятивное старение, со временем приводящее к пробою. Пространственное распределение типов пробоя отражает его стохастическую природу, а древовидная картина разрушения является следствием этого [4].

Электронный пробой

В той мере, в какой существует понятие собственной пробивной прочности вещества, наиболее вероятным источником нестабильности следует считать то небольшое число электронов в материале, которое способно ускоряться во внешнем поле. Можно ожидать, что по аналогии с механизмом искрения в газах в сильном поле электроны проводимости при столкновениях набирают энергию, достаточную для возбуждения новых электронов, и возникает электронная лавина. На самом деле величины пробивной прочности, рассчитанные для твердых изоляторов на основе простой газовой модели кумулятивного процесса, оказываются сильно завышенными. Более успешными оказались подходы, которые учитывают высокую подвижность электронов в регулярной решетке и в основе которых лежит зонная теория. Поскольку перенос энергии от электронов решетке — процесс сравнительно медленный, электронная температура Т может оказаться выше температуры решетки То, когда электрическое поле непосредственно передает энергию электронам проводимости. Знания о деталях механизмов проводимости в полимерах довольно ограничены, и по этой причине подходящей модели для соответствующих расчетов не существует. Можно только предполагать, какая из имеющихся теорий наилучшим образом описывает реальные процессы.

Рассмотрим схему энергетических уровней, изображенную на рис. 6.1, согласно которой электроны проводимости появляются в запрещенной зоне из глубоких примесных уровней (V = 1 эВ и более). Также имеется некоторое число мелких ловушек ниже края зоны проводимости. Во внешнем электрическом поле Е энергия передается непосредственно электронам проводимости (заряд е, масса m) со скоростью v = jE, где j — плотность тока.

Рис. 5.1. Схематическое изображение энергетических уровней в полимере

Энергия, полученная от поля, быстро распределяется между электронами проводимости и захваченными электронами в результате электрон-электронных столкновений. Рассмотрим передачу энергии от электронов решетке. Концентрация захваченных электронов приближенно описывается соотношением

(5.1)

где относится к плотности ловушек и слабо зависит от температуры. При высокой плотности ловушек концентрация захваченных электронов будет значительно превышать концентрацию электронов проводимости и передача энергии решетке будет происходить главным образом от захваченных электронов.

При низкой напряженности поля устанавливается равновесная температура электронов, при которой энергия, полученная от поля, равна энергии, отданной решетке. Однако при напряженности поля выше критического значения Е_с баланс невозможен, что и определяет величину пробивной прочности.

При росте температуры пробивное напряжение уменьшается. Физически причина этого заключается в увеличении числа электронов проводимости, которые, в отличие от захваченных электронов, получают кинетическую энергию от внешнего поля.

Как уже отмечалось, существуют большие сомнения, что в полимерах когда-либо наблюдался истинный пробой, являющийся характеристикой данного материала. В этом смысле истинный пробой должен рассматриваться как максимально достижимое экспериментальное значение пробивной прочности. Наиболее достоверные измерения, судя по высоким, в сравнении с другими данными, значениями, получены с помощью образцов, имеющих выемку с напыленными алюминиевыми электродами, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Изменение электрической прочности полиэтилена от температуры. На врезке показана схема расположения электродов. [4].

Форма углубления позволяет концентрировать высокое напряжение в тонком слое, в то же время удается избежать слишком высоких полей в воздухе или другой среде, окружающей образец. Результаты, полученные для полиэтилена, показаны на рис 5.2.

Для того, чтобы предсказать абсолютные значения электрической прочности, необходимы более подробные и пока отсутствующие данные об электронных состояниях и подвижности носителей в полимерах. В настоящее время можно только констатировать, что имеется удовлетворительное согласие между зависимостями, полученными теоретически на основании общей электронной модели, и наиболее достоверными экспериментальными данными. В той степени, в какой достоверна использованная модель, настолько же глубоко понимание механизма электрического пробоя полимеров. Измерения предпробойных токов, в особенности с использованием игольчатых электродов, создающих очень высокие поля при погружении в образец, позволили сделать вывод о том, что генерация носителей путем инжекции из электродов (эмиссия Шоттки) или генерация примесей (эффект Пула-Френкеля) также играют определенную роль в механизме пробоя. Для полного понимания деталей процесса пробоя требуются, однако, дополнительные исследования.

Электромеханический пробой

При проведении испытаний на пробой закрепленные на поверхности образца электроды, между которыми приложено напряжение V, из-за взаимного кулоновского притяжения оказывают на образец сжимающее усилие. Если это усилие ведет к существенной деформации образца при напряженности поля ниже пробойного, электрическая прочность должна понижаться. Сила притяжения F равна производной энергии системы по толщине d материала при постоянном напряжении:

(5.2)

Подставляя выражение для емкости плоскопараллельного конденсатора С (площадь сечения А, диэлектрическая проницаемость ε^/), получаем выражение для сжимающей силы на единицу площади:

(5.3)

В равновесии сила сжатия равна противодействующей силе упругой деформации, связанной с модулем Юнга. Подобный механизм пробоя можно обнаружить при сравнении пробивного напряжения в обычном полиэтилене и в радиационно-модифицированном, для которого модуль упругости (а также электрическая прочность) лишь незначительно уменьшаются с ростом температуры.

Кажущиеся низкие значения пробивной прочности в каучукоподобных материалах качественно описываются выражением:

, (5.4),

где Y – модуль упругости при растяжении.

При высоких температурах пробой большинства пластиков происходит по электромеханическому механизму.

Тепловой пробой

Если электропроводность диэлектрика достаточно велика для джоулева нагрева во внешнем поле, возникает возможность неконтролируемого разогрева материала, поскольку увеличение температуры, в свою очередь, будет приводить к увеличению электропроводности. В переменном поле возможен дополнительный нагрев из-за наличия релаксационных процессов, что должно облегчать условия для неконтролируемого разогрева материала. Дальнейший разогрев зависит от скорости отвода выделяющегося тепла. Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

(5.5)

где σ — электропроводность материала, C_V — теплоемкость на единицу объема, а λ — теплопроводность. Общее решение данного уравнения невозможно, так как σ, C_V и λ являются функциями температуры, однако имеется приближенное численное решение для полубесконечной пластины между находящимися при постоянной температуре электродами. Из этого уравнения следует, что температура в месте наибольшего разогрева, в центре пластины, рис. 5.3

Рис. 5.3. Расчетные кривые разогрева для бесконечной пластины материала до максимальной температуры при увеличении приложенного напряжения, показывающие начало неконтролируемого разогрева.

Основной характерной чертой зависимости является наличие критического напряжения V_C, при достижении которого температура бесконечно возрастает. Это должно снижать собственную электрическую прочность до тех пор, пока не наступит пробой, если, конечно, не учитывать возможного плавления материала или его химического разложения. Понятно, что в данном конкретном примере критическое напряжение V_C не зависит от толщины, поскольку ее увеличение будет приводить к уменьшению напряженности электрического поля, но также и к уменьшению скорости отвода тепла из центральной области. По этой причине иногда пользуются значением напряжения теплового пробоя. Тепловой пробой в полимерах наиболее вероятен а) при высоких температурах, когда становится заметной электропроводность (например, найлон-6,6 выше 90°С или б) на высоких частотах, когда начинает играть роль выделение тепла за счет релаксационных процессов.