Пробой газообразных диэлектриков

Газообразныедиэлектрики широко применяются в газонаполненных и вакуумных конденсаторах. Воздух является хорошим изолятором, но только в слабых полях. Электрическая прочность газообразных диэлектриков не превышает 2–3 МВ/м. Процесс пробоя обусловлен лавинным умножением электронов под действием ударной ионизации и фотоионизации.

При увеличении напряженности электрического поля Е электроны на длине свободного пробега λ приобретают энергию W=e λ E, достаточную для ионизации молекул газа: W≥ W_u (W_u - энергия ионизации, е - заряд электрона). Энергия ионизации – это наименьшая энергия, которую нужно затратить для отрыва одного электрона от нейтральной молекулы (атома). В результате при столкновении с молекулами и атомами «первичные» электроны порождают новые электроны. «Вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается. Электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактного облачка, называемого электронной лавиной.

Известны два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. Пробой газа сопровождается образованием серии лавин, причем каждая вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей содержит большее число электронов - происходит «раскачивание» электронных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряжений.

При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа.

Рис. 2.13. Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа

Электрическая прочность газов уменьшается с ростом расстояния между электродами, имеет немонотонную зависимость от давления с минимумом, соответствующим давлению, близкому к атмосферному.

19. Физическая природа и механизмы пробоя твердых диэлектриков. Влияние температуры, частоты электрического поля на Е_пр твердых диэлектриков.

Все вещества по электрическим свойствам делятся на 3 группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав.

Различают следующие механизмы пробоя в твердых диэлектриках: электрический, электротепловой, электрохимический, электромеханический, поверхностный.

Электрический пробой состоит в нарушении химических связей между атомами и молекулами вещества путем формирования электронной лавины от одного электрода до другого в результате процесса ударной ионизации (только при низкой температуре и не сопровождается внешними повреждениями диэлектрика).

Электротепловой пробой происходит при условии, что мощность диэлектрических потерь становится больше мощности, которая может быть отведена в силу его естественной теплоотдачи.

Электрохимический пробой происходит в виде разрушения диэлектрика под действием длительно воздействующего электрического поля и протекающих в нем электрохимических реакций.

Электромеханический пробой происходит в случае приложения внезапной механической нагрузки на диэлектрик, находящийся в электрическом поле.

Поверхностный пробой может происходить в том случае, если на поверхности создаются условия, благоприятные для развития пробоя.