Электротепловой пробой

Электротепловой пробой твердых диэлектриков на практике встречается чаще, чем другие формы пробоя. Возникает он вследствие нарушения в диэлектрике теплового равновесия между процессами тепловыделения и теплоотдачи и проявляется в тепловом разрушении материала (расплавлении, прожиге и т. п.) в месте наибольших диэлектрических потерь.

Под действием диэлектрических потерь, обусловленных релаксационными видами поляризации и электропроводностью, протекает процесс тепловыделения, материал диэлектрической конструкции нагревается. Повышение температуры сопровождается возрастанием диэлектрических потерь и, следовательно, дальнейшим увеличением количества выделяемого тепла. Образующееся тепло в результате высокой теплопроводности металла токопроводящих частей электроустановки, а также конвекции воздуха (или жидкого диэлектрика) отводится от диэлектрика в окружающую среду — идет процесс теплоотдачи. Если при этом тепловыделение превысит теплоотдачу, то разогрев диэлектрика приведет в конечном счете к тепловому разрушению материала и потере электрической прочности.

Обычно тепловое разрушение происходит в виде проплавления или прожигания узкого канала в месте наибольшей структурной неоднородности — наибольшей дефектности материала (например, в микротрещине или поре, заполненной влагой). В этом месте возникают наибольшие релаксационные потери и наибольшая плотность тока проводимости и, следовательно, наибольшее количество выделяемого тепла.

Процесс тепловыделения характеризуется мощностью Р, Вт, рассеиваемой в диэлектрике, и выражается уравнением диэлектрических потерь

Процесс теплоотдачи характеризуется мощностью РТ, Вт, отводимой от диэлектрика, и выражается с помощью формулы Ньютона

где σ — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); S — площадь поверхности диэлектрика, м²; Т — температура поверхности диэлектрика, К (считается, что температура по всему объему диэлектрика и на его поверхности одинаковая и равна Т); Т₀ — температура окружающей среды, К.

В случае теплового равновесия (Р = Р_Т) имеем

Из этого уравнения можно получить значение пробивного напряжения при заданной рабочей температуре, частоте напряжения и параметрах диэлектрика. При расчетах необходимо учитывать температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.