Пробой твёрдых диэлектриков

Пробой твёрдого однородного диэлектрика.

Это чисто электрический пробой, когда из немногих начальных электронов создаётся лавина. Данный пробой характеризуется быстрым развитием, не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность зависит от температуры. Снижение электрической прочности может быть вызвано только дефектами самого диэлектрика.

Пробой твёрдого неоднородного диэлектрика. Пробой твёрдого неоднородного диэлектрика характерен для всех технических диэлектриков, содержащих газовые включения, примеси. Процесс развивается быстро, электрическая прочность зависит от толщины диэлектрика (чем больше толщина, тем больше посторонних включений, то есть ниже электрическая прочность). Электрическая прочность также зависит от площади электродов (чем больше их площадь, тем больше дефектов попадает в объём между электродами, тем меньше электрическая прочность).

Высокую электрическую прочность имеют диэлектрики с более плотной структурой, не имеющие газовых включений. Это стекло, слюда, пропитанная бумага.

Тепловой пробой происходит в том месте, где нарушен теплоотвод, то есть условия охлаждения наихудшие. Происходит с течением времени. За это время вследствие диэлектрических потерь под напряжением (длительная выдержка) электрическая прочность диэлектрика снижается.

При пробое толстых слоёв диэлектрика его внутренние слои перегреваются сильнее и они имеют наименьшую прочность. Электрическая прочность (Е_пр) зависит от температуры окружающей среды, от теплопроводности диэлектрика, от условий охлаждения и от толщины диэлектрика (рис.1.30).

Электрохимический пробой возникает при повышенной влажности и высокой температуре (старение диэлектрика). Различают старение органических диэлектриков, которые больше подвержены разрушению при переменном напряжении, и старение неорганических диэлектриков, которые более интенсивно протекает при постоянном напряжении. Происходит с течением времени на молекулярном уровне, то есть необратимо изменяется химический состав диэлектрика. Скорость старения зависит от напряжённости (чем выше напряжённость, тем больше скорость старения).

Различают следующие механизмы пробоя.

Электрический пробой. В процессе этого пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды атомов, молекул диэлектрика. Протекает мгновенно, вызывается ударной ионизацией электронами. Если энергии электронов достаточно для ионизации, то электроны при соударении с атомами ионизируют их, в результате чего появляются новые электроны, таким образом, число электронов лавинно нарастает, что приводит к резкому увеличению проводимости и электрическому пробою.

Электротепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяемое диэлектриком за счёт диэлектрических потерь, превышает то количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях. В результате нарушается тепловое равновесие. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температуры, при которой происходит либо обугливание или расплавление материала. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от частоты, температуры окружающей среды, от условий охлаждения, от нагревостойкости материала и толщины диэлектрика. При увеличении толщины диэлектрика напряжение пробоя снижается за счёт ухудшения теплоотвода от средних частей диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава структуры диэлектрика. Этот пробой развивается при действии электрического поля в условиях высокой температуры и высокой влажности. Наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении. При высокой частоте электрохимический пробой происходит в результате ионизации газа, сопровождаемой тепловым эффектом. При низкой частоте в диэлектрике происходит необратимое уменьшение сопротивления изоляции, что приводит к пробою. Для развития электрохимического пробоя требуется время.

Ионизационный пробой. Ионизационный пробой развивается в результате действия на диэлектрик частичных разрядов. Полимерные диэлектрики под действием этих разрядов окисляются, образующиеся ионы бомбардируют стенки пор изоляции, что приводит к механическим разрушениям, образующиеся при этом оксиды азота и озон химически разрушают полимер, что и приводит к пробою. Для развития ионизационного пробоя требуется время.

Электромеханический пробой. Электромеханический пробой характерен для полимерных диэлектриков, находящихся в высокоэластичном состоянии при высоких температурах. Под действием электростатического притяжения, возникающего между электродами при высоком напряжении, происходит механическое сдавливание диэлектрика, что ведёт к уменьшению его толщины. При достижении критической деформации происходит механическое разрушение и пробой диэлектрика. Для развития электромеханического пробоя также требуется время.

Электротермомеханический пробой. Электротермомеханический пробой является разновидностью электрического и теплового пробоя, наблюдается в хрупких диэлектриках, содержащих поры. В процессе ионизации газовых вклю­чений пор образуются перегретые слои диэлектрика, их тепловое расширение больше, чем менее нагретых слоёв, в результате в диэлектрике образуются меха­нические напряжения, которые приводят к микротрещинам и механическому раз­рушению диэлектрика, дальше к пробою. Для развития электро-термомеханического пробоя требуется время.