Пробой твердых диэлектриков

Существует четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков.

Такой вид пробоя характеризуется тем, что в некотором месте твердого диэлектрика создается электронная лавина. Плотность тока в этом месте повышается и затем наступает пробой благодаря возникновению ударной ионизации.

Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков не связан с электропроводностью и с диэлектрическими потерями, поэтому он не приводит к нагреву твердого диэлектрика. Он характерен быстрым развитием и наступает за время 10^-8 - 10^-7 с.

2. Электрический пробой макроскопически неоднородных твердых диэлектриков.

Такой механизм пробоя наблюдается в твердых диэлектриках неоднородной структуры, т.е. в слоистых диэлектриках (слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла), в диэлектриках с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика), в диэлектриках, содержащих газовые включения (плотная керамика) и т. д.

У большинства таких диэлектриков в однородном и неоднородном электрическом поле пробивные напряжения имеют небольшие значения и мало отличаются друг от друга. В однородном поле пробивное напряжение стекла, электротехнического фарфора, керамики практически не зависит от толщины образца. За счет неоднородной структуры таких диэлектриков в них наблюдается тепловой пробой, а также большая мощность диэлектрических потерь на ионизацию. Эти факторы приводят к разогреву указанных выше диэлектриков.

3. Тепловой пробой твердых диэлектриков.

Тепловой пробой твердого диэлектрика наступает, когда количество теплоты, выделяющееся в твердом диэлектрике, устойчиво превысит количество теплоты, которое отдается в окружающую среду.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. По толщине твердого диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях.

Активную мощность диэлектрических потерь, которая греет твердый диэлектрик, определим по формуле:

.

Активная мощность, которая выделяется в окружающую среду:

,

где - коэффициент теплоотражения, ,

S – площадь поверхности твердого диэлектрика, ,

T₀ – начальная температура твердого диэлектрика, К,

Т – конечная температура твердого диэлектрика, К.

На основе выполнения равенства находим значение электротеплового пробивного напряжения:

.

Электротепловое пробивное напряжение зависит от частоты поля w, от качества твердого диэлектрика (С, tgd, e_r), его размеров (S), условий охлаждения
((Т-Т₀), s) диэлектрика. Кроме того, на электротепловое пробивное напряжение влияет органическое или неорганическое происхождение твердого диэлектрика (у неорганических диэлектриков выше нагревостойкость).

4. Электрохимический пробой твердых диэлектриков.

Электрохимический пробой может наблюдаться при повышенной температуре и повышенной влажности окружающей среды в тех случаях, когда твердый диэлектрик находится длительное время в эксплуатации под номинальным напряжением постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидах металлов переменной валентности (например, TiO₂).

За счет электрохимических процессов, происходящих в твердом диэлектрике, с течением длительного времени существенно снижается его сопротивление изоляции, что приводит к увеличению сквозного тока утечки через диэлектрик, т.е. этот механизм пробоя связан с явлением электропроводности, а также с ионизацией газовых включений в неоднородных твердых диэлектриках. Такой вид пробоя приводит к некоторому разогреву диэлектрика.