Пробій твердих діелектриків

Для твердих діелектриків характерні такі види пробою: 1) електричний;

2) електротепловий; 3) електрохімічний.

Залежно від різних факторів у тому самому діелектрику можуть виникати зазначені види пробою.

Електричний пробій за своєю природою є електронним процесом, коли з деяких початкових електронів у твердому тілі утворюється електронна лавина. Він обумовлений ударною іонізацією чи розривом зв'язків між частками діелектрика під дією електричного поля. Відповідно до теорії А.А.Воробйова, електрична міцність діелектриків збільшується зі зростанням енергії криста-лічних граток. У рівномірному електричному полі вільні електрони, появі яких сприяє автоелектронна емісія, прискорюються і, зіштовхуючись з вузлами крис-талічних граток, віддають їм накопичену енергію. Електрони, що досягли критичної швидкості, роблять відщеплення нових електронів, і стаціонарний стан порушується унаслідок виникнення ударної іонізації. У процесі ударної іонізації при взаємодії носіїв зарядів з електронами відбувається порушення хімічних зв'язків і перехід твердої речовини в стан частково іонізованої газової плазми, яка поширюється в напрямку потоку носіїв заряду. Потенціал заряду виноситься в головну частину каналу. Процес далі йде доти, поки канал не перетне весь розрядний проміжок.

Чисто електричний пробій має місце, коли виключений вплив електропро-відності і діелектричних втрат, а також відсутня іонізація газових включень. Цей вид пробою протікає практично миттєво за час 10^-7-10^-8с.

Більшість технічних діелектриків відрізняються неоднорідністю структури. Наявність у них включень з підвищеною провідністю і діелектричною проник-ністю приводить до викривлення електричного поля, утворення всередині діе-лектрика ділянок з підвищеною провідністю. Це приводить до зменшення елек-тричної міцності неоднорідних діелектриків.

У сильно неоднорідному електричному полі у твердих діелектриках може мати місце ефект полярності, причому менша пробивна напруга відповідає позитивній полярності електрода з малим радіусом кривизни. Незважаючи на те, що у твердих діелектриках ефект полярності виражений слабкіше, ніж у газоподібних, розходження пробивних напруг може досягати 20-30%.

Низькою електричною міцністю відрізняються пористі діелектрики, нап-риклад, непросочений папір, дерево, кераміка і т.д. З метою підвищення елек-тричної міцності проводять їхнє просочення чи покриття спеціальними скла-дами, що обмежують доступ вологи всередину діелектрика.

Тепловий пробій твердих діелектриків виникає в тому випадку, коли кількість теплової енергії, що виділяється в діелектрику внаслідок діелектрич-них втрат, стійко перевищить кількість енергіїї, що діелектрик здатний пере-дати в навколишнє середовище. Необмежений ріст температури закінчується тепловим руйнуванням діелектрика. Таким чином, тепловим пробоєм назива-ється пробій, обумовлений порушенням теплової рівноваги діелектрика внас-лідок діелектричних втрат.

Пробій, як правило, відбувається в тому місці діелектрика, де умови тепло-відводу найгірші, тому величина U_пр залежить від властивостей того середови-ща, у якому знаходиться діелектрик. З ростом температури навколишнього середовища пробивна напруга експоненціально зменшується, що пов'язано зі збільшенням кількості енергії, яка виділяється в діелектрику в результаті діелектричних втрат, і зменшенням кількості енергіїї, яку діелектрик здатний відводити в навколишнє середовище.

При пробої товстих зразків тепловідвод від внутрішніх областей утруд-нений, тому вони перегріті більше, і в результаті цього в міру збільшення тов-щини зразків Е_пр зменшується.

Зменшення Е_пр спостерігається також при тривалій витримці зразка під напругою, тому що діелектрик за цей час нагрівається більше за рахунок діе-лектричних втрат.

Розглянемо методику спрощеного розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої однорідного діелектрика, в якому переважними є втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Значення потужності, що розсію-ється в діелектрику, виражається формулою

(4.2)

З огляду на, що експоненціально залежить від температури, наведену формулу можна перетворити до виду

, (4.3)

де - прикладена напруга; - частота; - відносна діелектрична проникність

(вважаємо її незалежною від температури); - тангенс кута діелектричних втрат при температурі навколишнього середовища; - температурний коефі-цієнт тангенса кута діелектричних утрат; Т - температура нагрітого за рахунок діелектричних втрат матеріалу; Т_о - температура навколишнього середовища;

- площа електрода; h - товщина діелектрика.

Якщо товщина діелектрика не дуже велика, то можна припустити, що тем-пература по всьому об'єму матеріалу, що знаходиться між електродами, одна-кова, тобто крайовим ефектом можна знехтувати.

Оскільки теплопровідність металу електродів на два-три порядки більше, ніж теплопровідність діелектрика, то тепловідводом через торцеву поверхню діелектрика зневажаємо і припускаємо, що тепловідвод від нагрітого об'єму, розповсюджується в навколишнє середовище через електроди. Потужність, що відводиться від діелектрика, виразимо за допомогою формули Ньютона:

, (4.4)

де - сумарний коефіцієнт теплопередачі від діелектрика в зовнішнє середовище.

На рис. 4.4 наведені експоненти тепловиділення при різних зна-ченнях прикладеної напруги і пряма теплопередачі .

Коли до діелектрика прикладається напруга, він нагрівається до темпера-тури Т₁, при якій настає стійка теплова рівновага, тому що потужність теплови-ділення дорівнює потужності, що відводиться від зразка. Ця напруга не є небезпечною для зразка, якщо нагрів до температури Т₁ не приводить до меха-нічного чи хімічного руйнування структури матеріалу. При перевищенні темпе-ратури діелектрика з якихось причин, він повинний мимовільно повернутися в стійкий стан у зв'язку з тим, що ордината потужності, що відводиться, більше ординати тепловиділення.

Підвищення напруги супроводжується нагріванням діелектрика до температури Т₂, коли настає хитка теплова рівновага.

Незначна зміна температури приведе до перевищення потужності тепло-виділення над потужністю, що відводиться від зразка. Температура діелектрика збільшується, що з часом приводить до його теплового руйнування. При по-дальшому збільшенні напруги (крива Р_а3) теплова рівновага не настає і темпе-ратура діелектрика постійно росте. Напруга, при якій має місце хиткий гра-ничний режим, може бути прийнята за напругу теплового пробою U_пр. Його можна визначити за двома умовами:

; (4.5)

(4.6)

Умова (4.5) виконується тільки для граничного режиму, а умова (4.6) - для усіх випадків усталеної роботи діелектрика під напругою.

Використовуючи вирази (4.3) – (4.4), маємо

; (4.7)

. (4.8)

Розділивши вираз (4.8) на (4.7), одержимо

. (4.9)

Підставляючи (4.9) у (4.8) і вирішуючи його відносно U, визначимо U_пр:

(4.10)

де К - числовий коефіцієнт, рівний 1,15*10⁵, якщо усі величини, що мають розмірності, виражені в системі СІ.

З отриманого виразу випливає, що напруга теплового пробою буде вище, якщо умови тепловідводу краще і діелектрик має більшу товщину. Збільшення частоти прикладеної напруги, коефіцієнта діелектричних втрат і тангенса кута діелектричних втрат зменшує напругу пробою.

Коли перегрів діелектрика обумовлений тільки втратами на електропро-відність, то вираз (4.10) за допомогою (3.9) і (2.11) перетвориться до виду

(4.11)

де К ₁ =0,86; -температурний коефіцієнт питомої провідності.

У реальних умовах явище теплового пробою протікає більш складно, чим було розглянуто. По товщині діелектрика виникає перепад температури, серед-ній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилягаючі до електродів, опір його падає, що призводить до викривлення електричного поля і підвищення гра-дієнта напруженості в поверхневих шарах. Має значення також теплопро-відність матеріалу електродів. Усе це призводить до пробою діелектрика при більш низьких напругах, ніж ті, які одержані в результаті розрахунку.

Різновидом теплового пробою можна вважати іонізаційний пробій. Він характерний для неоднорідних діелектриків, що містять включення зі зниже-ною електричною міцністю, наприклад, газові включення. Таке включення можна представити у вигляді елементарного конденсатора, на обкладках якого при додаванні зовнішнього поля починає накопичуватися заряд. У зв'язку з тим, що діелектрична проникність включення завжди менше значення проникності навколишнього матеріалу, в перерізі діелектрика відбувається перерозподіл напруженості поля, що приводить до збільшення напруженості у включенні. Навіть при помірній напрузі, прикладеній до діелектрика, напруженість у вклю-ченні може досягти величини, достатньої для виникнення іонізаційного про-цесу, що приводить до розряду. Пробій газового чи рідкого включення діе-лектрика називається частковим розрядом.

Після завершення розряду напруга на включенні знову починає наростати доти, поки наступить новий пробій. Кожен розряд супроводжується нейтра-лізацією деякого заряду . Для оцінки інтенсивності іонізації використовують добуток середнього значення компенсованого заряду при одному імпульсі на кількість імпульсів у секунду n. Цей добуток має розмірність струму й одержав назву відносної інтенсивності іонізації.

У результаті іонізаційних втрат розігрівається поверхня закритих пір, ви-никають локальні перепади температури і пов'язані з ними термомеханічні нап-руги. Це може призвести до розтріскування діелектрика.

Електрохімічний пробійспостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли електричне поле викликає необоротні зміни електроізо-ляційного матеріалу. Унаслідок цього зменшується електричний опір доти, поки не наступить пробій. Даний процес називається електрохімічним старін-ням матеріалу.

Для розвитку електрохімічного пробою потрібен тривалий час, тому що він зв'язаний з процесом електропровідності. Він може мати місце при високих частотах, якщо в закритих порах матеріалу відбувається іонізація газу, що суп-роводжується тепловим ефектом і відновленням, наприклад у кераміці, окислів металів змінної валентності.

Електрохімічний пробій діелектриків має істотне значення при підвищених температурах і високій вологості.

Поверхневий пробій являє собою пробій рідини чи газу поблизу поверхні твердого діелектрика. У разі поверхневого пробою електрична міцність твер-дого діелектрика не порушується, але утворення провідного каналу на поверхні істотно обмежує робочу напругу ізолятора.

Чим сильніше виражені гідрофільні властивості діелектрика, тим значніше зменшується поверхнева пробивна напруга, особливо в умовах підвищеної во-логості.

Значення поверхневої пробивної напруги багато в чому залежить від кон-фігурації електродів, габаритних розмірів і форми твердого діелектрика. Коли діелектрик експлуатується на повітрі, то напруга поверхневого пробою зале-жить від температури, тиску, відносної вологості повітря і частоти прикладеної напруги.

Для запобігання поверхневого пробою доцільно збільшувати довжину розрядного шляху уздовж поверхні твердого діелектрика. З цією метою ство-рюють ребристі поверхні ізоляторів, виконують проточки різних канавок, виго-товляють конструкції з "утопленими " електродами. Підвищення робочих нап-руг досягається також згладжуванням неоднорідностей електричного поля за рахунок зміни форми електродів чи оптимізації конструкції ізолятора. Анало-гічний ефект може бути отриманий при нанесенні на поверхню ізолятора на-півпровідних покрить чи діелектричних плівок з підвищеною діелектричною проникністю.

Ефективним заходом боротьби з поверхневим пробоєм є заміна повітря рідким діелектриком. Підвищена в порівнянні з повітрям діелектрична проник-ність рідин сприяє зниженню напруженості поля на поверхні твердого діелек-трика, що дозволяє підвищити робочу напругу.