Электрический пробой

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием: протекает за время не более 10^-7 –10^-8 с. Данный вид пробоя не обусловлен выделением тепловой энергии, хотя электрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале (рис.34).

Рис.34. Зависимость электрической прочности электротехнического фарфора от температуры: А – область электрического пробоя; В – область теплового пробоя.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом диэлектрике создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию элементарным частицам (молекулам, ионам) в узлах решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению диэлектрика.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

На механизм пробоя твердых диэлектриков влияет однородность структуры материала. К неоднородным относятся диэлектрики, имеющие пористую структуру, т.е. содержащие газовые включения. Для однородных диэлектриков наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрических полях (рис.35).

Рис.35. Зависимость пробивного напряжения однородного

диэлектрика (технического стекла) от толщины: 1 – однородное электрическое поле;2 – неоднородное электрическое поле.

Это объясняется тем, что в однородном поле происходит пробой диэлектрика в самом слабом месте диэлектрика (например, в месте имеющегося дефекта структуры), а в неоднородном электрическом поле – в точке с максимальной напряженностью поля.

Пробивные напряжения неоднородных диэлектриков, находящихся во внешнем однородном и неоднородном электрических полях невысоки и мало отличаются друг от друга (рис.36). Как правило, в однородном электрическом поле электрическая прочность диэлектрика больше, чем в неоднородном. Электрическая прочность неоднородного диэлектрика в неоднородном электрическом поле может оказаться больше, чем в однородном, если в месте с максимальной напряженностью электрического поля окажется наименьшее количество газовых включений.

Рис.36. Зависимость пробивного напряжения неоднородного диэлектрика (электротехнического фарфора) от толщины:

1 – однородное электрическое поле; 2 – неоднородное электрическое.

Для однородных диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от их толщины: ее незначительное снижение при большой толщине может наблюдаться только при наличии дефектов структуры. Для неоднородных диэлектриков с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры (возрастает число газовых включений) и снижается электрическая прочность, как в однородном, так и в неоднородном электрических полях.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках (100 кВ/мм) близки к пробивным для объемных образцов.

Пробивное напряжение зависит и от площади электродов: чем больше площадь электродов, тем меньше напряжение пробоя. Это объясняется тем, что в неоднородных диэлектриках увеличивается число газовых включений, попадающих в электрическое поле, а в однородных – увеличивается вероятность попадания в поле дефектов структуры.

При определённой электрической прочности твёрдого диэлектрика может произойти пробой по поверхности диэлектрика – перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой. В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твёрдого диэлектрика, а поверхность твёрдого диэлектрика повреждается. Повреждение, связанное с образованием проводящих следов (треков) на поверхности твердого диэлектрика называется трекингом. Напряжение поверхностного пробоя зависит от свойств диэлектрика, формы образца и электродов, закономерностей пробоя окружающей среды.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение электрической изоляции должно быть меньше в несколько раз пробивного напряжения (U _раб <U _пр).

Коэффициент запаса электрической прочности равен:

(35)

Значение U_пр зависит от времени приложения напряжения: при кратковременных импульсах пробой происходит при больших значениях U_пр, чем при воздействии длительного или постоянно приложенного переменного напряжения.

Электрическая изоляция характеризуется сроком службы. Если на диэлектрик продолжительное время воздействует электрическое поле высокой напряжённости, то это приводит к необратимым процессам, в результате которых снижается U_пр, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Кривая зависимости U_пр от времени приложения напряжения называется кривой жизни электрической изоляции (рис.37).

Рис.37. Кривая жизни изоляции

Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.