Пробой диэлектриков 3 страница

Следует отметить, что воздушные прослойки (включения) очень опасны в высоковольтной изоляции конденсаторов, кабелей и дру­гих электротехнических конструкциях. В результате перераспределе­ния электрического поля между твердым диэлектриком и воздушны­ми включениями (порами) напряженность на включениях повысится и в них при сравнительно невысоком напряжении возникнут час­тичные электрические разряды, которые вызовут ускоренное старе­ние изоляции и тем самым снизят качество и надежность работы, а также срок службы электротехнической конструкции (см. 5.4.3). Поэтому число воздушных включений и особенно их размер должны быть сведены к минимуму.

Если силовые линии Е расположены не параллельно и не перпендикуляр­но поверхности раздела, а пересекают ее под любым углом (рис. 5.14), то от­меченные выше закономерности для Е_я и Е, сохраняются, и векторы напря­женности электрического поля на границе раздела двух диэлектрических сред

с в! и е₂ можно описать следующим уравнением:

tgOCj _

Ei

(5.17)

tgoc₂

где а_{ — угол между векторами Ej и Е_1я в диэлек­трической среде с Ej; а₂ — угол между векторами Е₂ и Е _2я в диэлектрической среде с е₂.

Это уравнение справедливо только в случае диэлектриков без потерь, не содержащих объем­ных зарядов.

Рис. 5.14. Общий вид век­торов напряженности элек­трического поля на грани­це двух диэлектрических сред

На основании изложенного можно за­ключить, что за пробой диэлектрика ответ­ственна нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля Е_л, а за поверхностный разряд — тангенциальная составляющая Е,.

5.3. ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Пробой жидких диэлектриков представляет собой более сложное явление, чем пробой газов. Жидкие, хорошо очищенные диэлектрики имеют при нормальных условиях электрическую прочность примерно на порядок выше, чем воздух. На величину Е_пр жидких диэлектриков существенно влияет примесь нерастворенная, 8 которой отличается от е диэлектрика. Электрическая прочность на импульсах напряжения в однородном поле у тщательно очищенных нефтяных электроизоляци­онных масел и простых органических жидкостей (особенно тех, моле­кулы которых содержат атомы F и С1) сравнима с Е_пр многих твердых диэлектриков и составляет величину порядка 10⁸ В/м. Их Е_пр почти не зависит от температуры, расстояния h между электродами при h > 20—60 мкм (у н-гексана при h > 45 мкм) и длительности импульса до т «10~⁶ с (у н-гексана до т > 1—2 мкс). Эти экспериментальные данные свидетельствуют в пользу электрической формы пробоя, в ос­нове которого лежат электронная ударная ионизация, фотоионизация и холодная эмиссия электронов из катода. При h < 20—60 мкм с уменьшением расстояния между электродами Е_пр возрастает. Это яв­ление называют электрическим упрочнением.

Исследования механизма пробоя жидких диэлектриков с помо­щью скоростной фоторегистрации показали, что в начальной стадии в местах образования будущих каналов пробоя возникают оптиче­ские неоднородности, представляющие собой густое переплетение темных микроскопических нитей. Эти оптические неоднородности, очевидно, являются газовыми пузырьками, образовавшимися в ре­зультате тепловых процессов, вызванных токами эмиссии (инжек- ции) электронов из катода, автоионизацией молекул жидкого ди­электрика, токами абсорбции и сквозной проводимости.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что на механизм пробоя жидких диэлектриков, кроме электронных про­цессов, существенное влияние оказывают также и тепловые про­цессы.

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих механизм пробоя жидких диэлектриков. Однако ни одна из них не раскрывает в полном объеме механизм этого процесса. Поэтому Е_пр (U_np) жидких диэлектриков определяют только экспериментальным путем. Из всех известных теорий кратко рассмотрим две теории — теплового и электрического пробоев, так как влияние на механизм пробоя электронных и тепловых процессов доказано эксперимен­тально.

5.3.1. Теория теплового пробоя

Электротепловой пробой имеет место в технически чистых жид­ких диэлектриках, которые хотя и в очень малой концентрации, но все же содержат примесь, в том числе, нерастворенную полярную в виде эмульсии, суспензии или коллоидных частиц (например воду, находящуюся в состоянии эмульсии).

Тепловая теория объясняет механизм пробоя в жидких диэлек­триках следующим образом. Нерастворенная примесь — коллоид­ные частицы, капельки воды, твердые частицы (волоконца бума­ги, ткани, шлам и др.) — всегда присутствует в технически чистом жидком диэлектрике и обычно равномерно распределена в его объеме. Под действием приложенного электрического поля частицы этой примеси сравнительно быстро перераспределяются в объеме диэлектрика и скапливаются в местах с наиболее высокой напряженностью поля, образуя цепочки, соединяющие между со­бой электроды. Эти цепочки из-за разных величин диэлектриче­ской проницаемости жидкого диэлектрика (у нефтяного масла е~2,2) и примеси (у воды е ~ 81) увеличивают неоднородность поля и приводят к снижению электрической прочности диэлек­трика. Опыты показывают, что время образования таких цепочек мало и составляет примерно одну секунду. Образовавшиеся це­почки имеют высокую электропроводность, а значит, по ним пой­дет ток сравнительно большой плотности, под действием которого они мгновенно нагреются до высокой температуры и перейдут в газообразное состояние. По образовавшимся газовым микрокана­лам и произойдет пробой аналогично пробою газа (см. теорию пробоя газов). В образовании газовых микроканалов также участ­вуют растворенные в жидкости воздух и ее собственные пары.

При перемешивании жидкого диэлектрика имеющиеся в нем це­почки из нерастворенной примеси, соединяющие электроды, начнут разрушаться, а их образование станет затрудненным. Если при этом время приложения напряжения будет меньше времени, необходимо­го для образования цепочек, то электрическая прочность диэлект­рика возрастет. Поэтому Е_пр жидких диэлектриков на импульсном напряжении при перемешивании всегда выше. Этот эксперимен­тальный факт — наглядное подтверждение решающего влияния не­растворенной полярной и полупроводящей примеси на электриче­скую прочность жидких диэлектриков.

5.3.2. Теория электрического пробоя

Электрический пробой в «чистом» виде возможен только в жид­ких диэлектриках, совершенно не содержащих примеси, т.е в иде­альных диэлектриках. В соответствии с теорией электрического про­боя плазменный газоразрядный канал образуется в результате эмиссии электронов из катода (начальный акт пробоя), электронной ударной ионизации и фотоионизации молекул диэлектрика. Меха­низм пробоя в данном случае рассматривается аналогично механиз­му пробоя в газах. Более высокие значения электрической прочности жидкие диэлектрики имеют, очевидно, потому, что их плотность больше плотности газов примерно в 1000 раз. Следовательно, при­
мерно на эту величину меньше средняя длина свободного пробега электрона X. Поэтому, чтобы электрон на пути длиной в X накопил энергию, достаточную для ионизации нейтральной молекулы (W > WJ, необходима более высокая напряженность электрического поля. У тщательно очищенных жидкостей Е_пр может достигать значения 400 МВ/м и выше (например, у н-гексана на импульсах напряжения Е_пр = 246 МВ/м, а у СС1₄ — 479 МВ/м), в то время как у воздуха Е_пр-3,2 МВ/м, а у гелия — 0,19 МВ/м.

Таким образом, на первый взгляд, можно полагать, что электри­ческая прочность идеального жидкого диэлектрика больше Е_пр воз­духа во столько раз, во сколько X жидкого диэлектрика меньше X воздуха.

5.3.3. Пробой технически чистых жидких диэлектриков

На основании теорий теплового и электрического пробоев жид­ких диэлектриков можно заключить, что на механизм пробоя жид­ких диэлектриков, даже тщательно очищенных, наряду с электрон­ными процессами — эмиссией электронов из катода, электронной ударной ионизацией и фотоионизацией — большое влияние оказы­вают и тепловые процессы, вызванные диэлектрическими потерями.

На электрическую прочность технически чистых жидких диэлек­триков в первую очередь влияют: природа самого диэлектрика, при­рода, концентрация и состояние примеси. Особенно сильное влия­ние оказывают вода в виде эмульсии или суспензии (льдинки), температура, частота напряжения и форма электродов.

Влияние природы жидких диэлектриков на их электрическую прочность. Установлено, что с увеличением плотности жидкости и ее молекулярной массы Е_пр обычно возрастает (исключение состав­ляют, например, ароматические углеводороды). В случае жидких парафинов, к которым относятся нефтяные электроизоляционные масла, электрическая прочность линейно возрастает с увеличением плотности (рис. 5.15, а). Такой характер зависимости можно объяс­нить тем, что с увеличением плотности (а также молекулярной массы) уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, поэтому для формирования разряда необходима более высокая на­пряженность электрического поля.

На электрическую прочность жидких диэлектриков значитель­ное влияние оказывает их полярность. При постоянном и пере­менном (50 Гц) напряжениях Е_пр линейно снижается с увеличени­ем е жидкостей (см. рис. 5.15, б). Объясняется это тем, что с увеличением е возрастает мощность Р, рассеиваемая в диэлектри­ке (Р = U²0)Ctg5 = U²со tg5 EqeS /И), и усиливается роль «тепло­вой» формы пробоя.

С уменьшением времени т приложения напряжения электриче­ская прочность жидких диэлектриков возрастает, при этом у поляр­ных в большей степени, чем у неполярных. Поэтому при т < 10~⁶ с

5-Колесов

Рис. 5.15. Зависимость Е_пр различных жидких диэлектриков от плотности d (а) и диэлектрической проницаемости е (б)

Е_пр полярных жидких диэлектриков может быть равна или даже больше, чем Е_пр неполярных.

Влияние природы примеси на электрическую прочность. В процессе эксплуатации жидких диэлектриков (например, нефтяного трансфор­маторного масла) в случае их соприкосновения с воздухом, всегда со­держащим влагу, последняя попадает в диэлектрик, увлажняя его. Кроме того, вода в нефтяных электроизоляционных маслах образуется в результате процессов старения (термоокислительной деструкции). Степень увлажнения жидких диэлектриков зависит не только от их природы (величины е), но также от природы и концентрации примеси и влажности окружающего воздуха (рис. 5.16).

Вода в растворенном виде на Е_пр нефтяных электроизоляцион­ных масел практически не влияет, а в эмульгированном состоянии (т. е. в виде капелек диаметром -10 мкм) уже в небольшой концен­трации (0,005—0,01 %) резко снижает электрическую прочность ма­сел (рис. 5.17). Объясняется это тем, что под действием электриче­ского поля капельки эмульгированной воды втягиваются в места с

Рис. 5.16. Зависимость степени увлажнения (%) нефтяного трансформаторного масла от относительной влажности окружающего воз­духа \|/_в:

0,006 -

0,004

0 20 40 60 80 100Относительная влажность окружающего воздуха, %

0,010

g 0,008

0,002

1 — свежее масло, к.ч. = 0,02 мг КОН/1 г; 2 — масло с к.ч. = 0,17; 3 — масло с к.ч. — 0,21

наибольшей напряженностью поля, поляризуются, приобретают форму эллипсоидов, которые и образуют цепочки, соединяющие электроды. Из-за большой разности в значениях е масла и воды электрическое поле в местах локализации цепочек становится резко- неоднородным. Кроме того, существенно возросшие диэлектриче­ские потери приводят к местному перегреву образовавшихся цепо­чек, образованию газовых каналов, по которым и развивается пробой при гораздо более низком напряжении.

5*

Электрическая прочность увлажненного масла особенно сильно снижается, когда оно загрязнено твердыми гигроскопичными части­цами (волоконцами бумаги, ткани и т. п.). Интенсивно поглощая влагу, эти частицы значительно увеличивают свою диэлектрическую проницаемость, втягиваются в места с наибольшей напряженностью поля и образуют цепочки, соединяющие электроды, по которым и развивается пробой. Например, при увлажнении трансформаторного масла до 0,002 мас.% и попадании в него 1,1 • Ю^-6 мас.% волоконцев (в 10 л масла внести 2 мл воды и 1,1 • 10"³ г волокон) Е_пр снижается на 15 %. Таким образом, в абсолютно чистом жидком диэлектрике проявляется только электрическая форма пробоя. По мере увеличе­ния в жидком диэлектрике эмульгированной воды (и другой полу­проводящей или проводящей примеси) между электродами возника­ют цепочки из нерастворенной примеси и число их растет. С образованием первых цепочек электрическая прочность резко снижается, и по достижении концентрации эмульгированной воды в нефтяном трансформаторном масле примерно 0,005—0,01 % даль­нейшее ее увеличение мало влияет на снижение Е_пр Такой характер изменения электрической прочности в зависимости от концентра­ции эмульгированной воды можно объяснить тем, что с появлением и дальнейшим ростом числа цепочек в межэлектродном пространст­ве возникает и усиливается электротепловая форма пробоя, и при

Рис. 5.17. Зависимость 11_прЭф нефтяного Рис. 5.18. Зависимость С/цр.эф нефтяного трансформаторного масла от содержания трансформаторного масла от температу- в нем воды (%) ры при /=50 Гц:

1 — высушенное масло; 2 — масло эксп­луатационное (содержащее следы влаги)

концентрации эмульгированной воды более 0,01 % она становится доминирующей. В сильно загрязненных (увлажненных) жидких ди­электриках пробой носит электротепловую форму.

Существенно Е_пр масла снижают частицы металла диаметром 4—40 мкм. Коллоидные частицы и шлам приводят к образованию объемных зарядов, в результате чего возрастает неоднородность электрического поля и Е_пр масла снижается. Частицы сажи, образую­щиеся в масле в результате деструкции его молекул под действием разрядов, также снижают электрическую прочность. Адсорбируясь на поверхности твердой изоляции, они способствуют развитию по­верхностных разрядов.

Жидкие диэлектрики всегда содержат в растворенном или сво­бодном состоянии газ, количество которого зависит от температуры и давления. С увеличением содержания газа образуются пузырьки и Е_пр диэлектрика снижается главным образом вследствие увеличения неоднородности электрического поля и местного перегрева, вызван­ного ионизационными потерями.

Влияние температуры на электрическую прочность нефтяного трансформаторного масла. Максимально допустимая температура нефтяного трансформаторного масла не должна превышать 95°С, так как при этой температуре оно сравнительно быстро начинает окис­ляться, свойства его ухудшаются и Е_пр снижается.

Электрическая прочность хорошо высушенного нефтяного трансформаторного масла практически не зависит от температуры вплоть до 80 °С (рис. 5.18, кривая 7). Выше 80 °С в результате интен­сивного испарения низкомолекулярных фракций и образования в масле большого количества пузырьков газа U_np снижается, так как электрическое поле в масле становится неоднородным. U_np также снижается вследствие местного перегрева, вызванного ионизацион­ными потерями в пузырьках газа.

Электрическая прочность увлажненного масла имеет более слож­ную температурную зависимость (см. рис. 5.18, кривая 2). Самую низкую электрическую прочность масло имеет при температуре —5...—8 °С. При этой температуре присутствующие в масле капельки воды и льдинки имеют е ~ 88, а нефтяное масло е ~ 2,2. Такая боль­шая разница в значениях диэлектрической проницаемости воды и масла приводит к образованию резконеоднородного электрического поля и вследствие этого — к существенному снижению U_np. При дальнейшем понижении температуры е льдинок уменьшается, так как уменьшается а_др (а_др —> 0) (см. гл. 2.3) и при температуре —60 °С (f= 300 Гц) или -50 °С (f= 1кГц), или -10 °С (f= 50 кГц) составляет величину, равную -2,85. В результате этого электрическое поле ста­новится более однородным и U_np масла возрастает. На возрастание U_np при охлаждении влияют также повышение вязкости и плотности масла и улучшение условий отвода тепла, образующегося в результа­те диэлектрических потерь.

При нагревании (при Т > 0 °С) капельки воды начинают раство­ряться в масле, и вода из эмульгированного состояния переходит в растворенное. Поле становится более однородным, вследствие этого U_np возрастает.

Снижение U_np при Т> 80 °С вызвано теми же причинами, что и у хорошо высушенного нефтяного масла.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод: наличие в жидком диэлектрике нерастворенной примеси в виде эмульсии или суспензии увеличивает неоднородность электрического поля и резко снижает тем самым электрическую прочность диэлектрика. При этом чем больше разница между значениями е жидкого диэлектрика и е нерастворенной примеси, тем больше неоднородность образую­щегося электрического поля и тем ниже электрическая прочность жидкого диэлектрика.

Влияние частоты напряжения на электрическую прочность жид­ких диэлектриков. С увеличением частоты напряжения Е_пр техниче­ски чистого нефтяного трансформаторного масла возрастает на 25—30 % (по отношению к Е_пр, измеренному при 50 Гц), проходит через максимум при частоте 800 Гц и далее снижается. Установлено, что на зависимость E_np(J) значительно влияет примесь: ее количест­во, природа и распределение в межэлектродном пространстве. Воз­растание Е_пр на низких частотах объясняется тем, что с увеличением частоты время полупериода напряжения уменьшается, поэтому для образования цепочек из проводящей и полупроводящей примеси требуется более высокая напряженность поля. Снижение Е_пр при / > 800 Гц происходит, так как возрастают тепловые процессы (экс­периментально установлено, что с увеличением / возрастает tg5) и, следовательно, усиливается тепловая форма пробоя. На импульсном напряжении (т «10~⁶ с и менее) Е_пр заметно возрастает и становится мало зависимой от степени загрязнения масла. На очень коротких импульсах загрязненное трансформаторное масло имеет такую же электрическую прочность, что и хорошо очищенное масло.

Влияние расстояния между электродами и их формы на электриче­скую прочность Е_пр жидких диэлектриков. Электрическая прочность хорошо очищенных жидких диэлектриков при увеличении расстоя­ния h между электродами вначале резко снижается. Затем, начиная с h > 20—60 мкм (у н-гексана при h > 45 мкм), Е_пр в однородном поле остается величиной примерно постоянной, а в неоднородном поле Е_пр продолжает снижаться, но более медленно.

Форма электродов оказывает влияние на Е_пр жидких диэлектри­ков по тем же причинам, что и в случае воздуха. Электроды, создаю­щие неоднородные поля, приводят к снижению Е_пр.

5.3.4. Мероприятия по повышению пробивного напряжения жидких диэлектриков в электроустановках

Повышение U_np жидких диэлектриков (например, нефтяных масел) и соответственно £/_раб электроустановок (например, трансформаторов) дости­гается путем покрытия токоведущих частей твердыми электроизоляционны­ми материалами и использования изолирующих барьеров.

Применение покрытий. Примесь в нерастворенном виде (капельки воды, волоконца и т. п.), всегда присутствующая в технически чистых жидких ди­электриках (нефтяных маслах), осаждается на голых токоведущих частях (проводах) и проявляет себя как проводящие острия, начиная коронировать при относительно низких напряжениях, снижая £/_пр. Если эти провода по­крыть слоем твердого диэлектрика, то волоконца, полупроводящие и прово­дящие частицы примеси, не будут на них осаждаться. Частицы примеси вследствие большей, чем у масла, е будут притягиваться к изолированным проводам и заряжаться одноименным с ними зарядом. В результате приоб­ретения одноименного заряда они будут отталкиваться от проводов, препят­ствуя тем самым образованию опасных проводящих цепочек, по которым может развиться пробой.

При переменном напряжении покрытия могут повышать £/_пр нефтяного трансформаторного масла на 25—70 %, а при импульсном — на 10—20 %. Толщина покрытия выбирается обычно от 1 до 6 мм.

Применение изолирующих барьеров. Барьеры в жидком диэлектрике, так же как и в воздухе, образуют «ионную платину», повышая тем самым С/_пр. Кроме того, изолирующие барьеры препятствуют образованию проводящих цепочек из примеси (например, капелек воды и волоконцев). Изготавливают их обычно из электрокартона, бакелитизированной бумаги и т. п. толщиной в несколько миллиметров. Изолирующие барьеры особенно эффективны в неоднородных полях. Например, в поле, образованном системой электродов «стержень-плоскость» (резконеоднородное поле), барьер может повысить U_np на 40-60 %.

5.4. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохож­дения тока нежелательными путями. Находясь под напряжением, твердая электрическая изоляция не может выдерживать любые его значения. При некотором критическом напряжении, превышающем {/_раб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлек­трик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает про­бой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением. При пробое в твердой изоляции образу­ется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при по­вторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения. Пробой твердой изоляции электротехнического устройства означает аварию. Электротехническое устройство с пробитой твердой изоля­цией эксплуатировать нельзя, оно требует ремонта — замены детали с пробитой изоляцией или устройства в целом.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков: электрическую, электротепловую и электрохимическую, — каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в зави­симости от его состояния и внешних условий — наличия дефектов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, ха­рактера электрического поля (постоянное, переменное или импульс­ное, низкой или высокой частоты) и т. п. Наиболее часто встречае­мой и наиболее хорошо изученной является электротепловая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может протекать само­стоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завершается другой.

Кроме указанных трех видов пробоя, в литературе встречаются высказывания о возможности других разновидностей пробоя или промежуточных его форм: электромеханической, электротермомеха- нической и др. Однако существование этих разновидностей оконча­тельно не доказано.

5.4.1. Электрический пробой

На практике электрический пробой твердых диэлектриков обыч­но происходит при попадании в электроустановку грозового разряда (молнии) или в результате коммутационных перенапряжений. Эта форма пробоя не обусловлена ни тепловыми процессами (электроте­пловой пробой), ни ионизационными, тепловыми или электролити­ческими процессами (электрохимический пробой). Электрический пробой происходит, когда практически исключено влияние диэлек­трических потерь, частичных электрических разрядов в порах изоля­ции и на ее поверхности (около электродов) и т.п.

В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков ле­жат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследст­вие образования в диэлектрике между электродами плазменного газораз­рядного канала, в формировании которого участвуют эмиссионные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания /_кз.

Существенное влияние на механизм электрического пробоя ока­зывает отрицательный объемный заряд, образующийся при эмиссии электронов из катода за счет их захвата ловушками диэлектрика.

На основании имеющихся экспериментальных данных механизм электрического пробоя твердых диэлектриков выглядит следующим образом. На начальной стадии из-за неполного пробоя образуется прерывистый канал небольшого диаметра (у NaCl менее 1мкм). Да­лее, в результате увеличения плотности тока до 10⁸—10⁹ А/м², канал проплавляется до диаметра 10—12 мкм и начинает прорастать к про­тивоположному электроду. Вокруг прорастающего канала наблюда­ется свечение прилегающей области, диаметр которой намного боль­ше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока /_кз в разрядной цепи, т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлек­триках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, вет­вящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направ­лений. Времени, необходимого для образования канала пробоя, тре­буется в 10—100 раз больше, чем при пробое воздуха.

С точки зрения зонной теории твердого тела, механизм электронной ударной ионизации можно представить следующим образом. Электрон, на­ходящийся в зоне проводимости (ЗП) (свободный электрон), разгоняясь под действием электрического поля, увеличивает свою энергию. Эту приобре­тенную (добавочную) энергию электрон с некоторой вероятностью может передать другому электрону, находящемуся в валентной зоне (ВЗ). В случа­ях, когда энергия, получаемая электроном, находящимся в ВЗ, будет равна или больше ширины запрещенной зоны (33) A W{/SW равна энергии иониза­ции Ж_и), этот электрон из ВЗ перейдет в ЗП. Если при этом сам ионизирую­щий электрон остается в ЗП, то происходит лавинное увеличение электро­нов в ЗП. Наступает пробой.

Напряженность поля, при которой происходит электрический пробой твердых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10³ МВ/м и более. Такие высокие значения Е_пр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую (в ~10³ раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую среднюю длину свободного про­бега электрона X. Поэтому для образования электронных лавин необ­ходимы более высокие значения напряженности поля, чем у воздуха.

Получить чисто электрическую форму пробоя трудно. Обычно на этот вид пробоя накладывается электротепловая или электрохимиче­ская форма пробоя. Чтобы исключить (или существенно снизить) влияние других форм пробоя на электрическую форму, пробой про­изводят на импульсах напряжения в среде жидкого диэлектрика, е которого больше, чем е испытуемого образца. Для электрического пробоя характерны:

а) малое время развития пробоя (10~⁶ с и менее);

б) практическая независимость Е_пр от толщины образца при h > 10—20 мкм и времени приложения напряжения при т > 10~⁷— 10~⁶с. При толщине образца менее 10—20 мкм имеет место электрическое уп­рочнение — резкое возрастание Е_пр при уменьшении И.

При электрической форме пробоя величина Е_пр существенно за­висит от плотности упаковки структурных элементов диэлектрика, т. е. от плотности упаковки ионов — при ионном строении, моле­кул — при молекулярном строении, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структур — у полимеров. Плотность упаковки структурных элементов, в свою очередь, зависит от химического со­става и строения диэлектрика.

5.4.2. 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.

Дата добавления: 2015-08-09