Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала: органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле. Для возникновения теплового пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь одно место диэлектрика, где теплоотдача хуже или повышены удельные диэлектрические потери. При этом средняя температура всего объёма диэлектрика мало отличается от температуры, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения. Для того, чтобы температура диэлектрика не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение диэлектрика, необходимо правильно установить допустимое напряжение. При переменном напряжении диэлектрические потери рассчитываются по формуле (25).

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности. Отводимая мощность рассчитывается по формуле

, (36)

где γ – коэффициент теплопроводности Вт/(м²⋅К), S –площадь теплоотвода, t и t_о – соответственно температуры образца и окружающей среды.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощности диэлектрических потерь и рассеиваемой мощности с поверхности диэлектрика: P_а=P_Т.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рис.38, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения P_а = f(Т) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи P_T = f(Т).

Рис.38. Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое

При значении приложенного напряжения U ₁ прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры Т ₁, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если по каким-то причинам (например, при увеличении напряжения) температура хотя бы немного превысит значение Т ₁, то образец самопроизвольно через некоторое время возвратиться в состояние устойчивого теплового равновесия, т.к. зависимость отводимой мощности лежит выше зависимости мощности диэлектрических потерь. Следовательно, напряжение U ₁ не будет опасным для диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры Т ₁ не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. При увеличении напряжения до значения U прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре Т. При значении приложенного напряжения U ₂ теплового равновесия не возникнет, поэтому температура будет нарастать безгранично до теплового разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение U₁, при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя U_пр.

Согласно условию теплового равновесия:

(37)

допустимое значение напряжения рассчитывается по формуле

(38)

При тепловом пробое U_пр зависит от частоты приложенного напряжения, температуры окружающей среды (начальной рабочей температуры диэлектрика), площади электрода и от его свойств: теплопроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. С увеличением частоты приложенного напряжения и температуры пробивное напряжение уменьшается. Тепловой пробой развивается в течение 10^-3–10^-2 с, т.е. во много раз медленнее электрического пробоя.

В реальных условиях явление теплового пробоя протекает сложнее, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика имеется перепад температуры: средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.