Электрическая прочность твердых диэлектриков

Диэлектрический материал, помещенный в электрическое поле, может утратить электроизоляционные свойства, если на­пряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем, или нарушением электриче­ской прочности изоляции.

Наименьшее напряжение, приложенное к изоляции в мо­мент пробоя, называется пробивным напряжением ( Uпр).

Твердые диэлектрики в отличие от жидких и газообразных претерпевают необратимые изменения (разрушение) в резуль­тате пробоя. В материале образуется разрядный канал, где из-за резкого повышения температуры создается высокое давление, приводящее к появлению трещин и разрушению изолятора.

Пробивное напряжение характеризует способность противо­стоять электрическому полю лишь конкретного образца. Для сравнения свойств различных материалов используется электри­ческая прочность (Е пр, кВ/мм), представляющая собой мини­мальную напряженность электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика:

Епр =Uпр/h.

где h — толщина диэлектрика.

Величина электрической прочности зависит от температуры, влажности, частоты приложенного поля, времени приложения напряжения, толщины и числа слоев диэлектрика и других фак­торов.

Электрическая прочность диэлектрика может быть нарушена в результате поверхностного пробоя (разряда), который развива­ется в прилегающем к твердой изоляции жидком или газообраз­ном слое. Вероятность возникновения поверхностного пробоя зависит от состояния поверхности (например, увлажнение или загрязнение).

Виды пробоя в твердых диэлектриках. В диэлектриках, нахо­дящихся в электрическом поле, возникновение электрического пробоя может быть инициализировано несколькими факторами:

· повышением напряженности электрического поля (элек­трический пробой);

· увеличением температуры материала (тепловой пробой);

· деградацией диэлектрика под действием внешних факторов, вызывающих протекание химических реакций в материале (электрохимический пробой). Он развивается в результате образования в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, веществ с низкими значениями электрической проч­ности; продуктов электролиза, окислительно-восстановительных реакций и других процессов. Электрохимический пробой усиливается с повышением температуры и влажности. Способствует ему также гигроскопичность диэлектрика.

Возможно возникновение ионизационного пробоя, обусловленного процессами ионизации газовых включений в твердом материале, а также электромеханического пробоя, характерного для пьезоэлектриков и связанного с возникновением электрического поля в материале под действием механических усилий.

Возникновение того или иного вида пробоя зависит от химического состава, структуры, свойств и условий эксплуатации материала. Наиболее часто встречающимися являются два основных вида пробоя — электрический и тепловой, которые обычно проявляются в сочетании друг с другом.

Электрический пробой. Собственно электрический пробой диэлектрика происходит при значениях напряженности электрического поля, превышающих электрическую прочность данного материала. В этом случае отсутствует влияние прочих факторов, повышающих электропроводность диэлектрика, его диэлектрические потери, вызывающие ионизацию газовых включений, и проч.

По своей природе электрический пробой является электроннымпроцессом, когда из небольшого количества свободных электронов в твердом теле образуется электронная лавина. Сво­бодные носители заряда (электроны) при приложении к диэлектрику электрического поля ускоряются этим полем. Ускоренные электроны рассеиваются на атомах и передают последним часть своей энергии. В том случае, если энергия электронов превосходит энергию ионизации атомов, наблюдается ударная ионизация (выбивание вторичных электронов из атомов), т. е. генерация дополнительного числа свободных носителей заряда. Они, в очередь, ускоряются полем и также участвуют в процессе ионизации атомов диэлектрика.

Механизмы ударной ионизации и возбуждения могут быть описаны следующими схемами:

А + е А⁺ + 2 ; A+e A* + hv+e,

где А — атом; А⁺ — ион; А* — возбужденный атом.

При возбуждении электрон, сталкиваясь с атомом (или мо­лекулой), не выбивает из него вторичный электрон, а переводит последний на более высокий разрешенный энергетический уро­вень. Возвращаясь в невозбужденное состояние (при переходе электрона на стационарную орбиту), атом испускает фотон. Не­которые фотоны могут иметь энергию, превышающую энергию ионизации. Они образуются в результате возбуждения электро­нов, находящихся на внутренних оболочках атомов. При погло­щении таких фотонов атомами возможна их ионизация:

А + hv А⁺ + .

Скорость фотонов значительно превышает скорость электро­нов ( м/с, ), поэтому фотоны об­гоняют электронную лавину и ускоряют образование проводя­щего канала.

Электрический пробой протекает за время ~ и наблюдается у большинства твердых диэлектриков при импульс­ном воздействии напряжения.

Тепловой пробой. В случае если развитие лавинно­го процесса ударной ионизации в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, спровоцировано повышением температуры материала, наблюдается тепловой пробой. Он происходит вслед­ствие возрастания числа свободных носителей заряда с повыше­нием температуры, а следовательно, увеличения вероятности того, что какой-то из зарядов под действием внешнего электри­ческого поля инициирует развитие лавинообразного процесса увеличения электропроводности. Повышение температуры мо­жет быть вызвано как внешними источниками, так и процесса­ми, происходящими в самом материале, например, вследствие диэлектрических потерь. Если теплоотвод в окружающую среду затруднен (в силу низкой теплопроводности изоляции или значи­тельной ее толщины), в материале нарушается тепловой баланс, температура быстро повышается. Это снижает электрическую прочность материала и в результате происходит пробой.

Если диэлектрик помещен в постоянное поле напряженно­стью Е, то мощность потерь в нем определяется по формуле

При данной величине напряженности поля диэлектрические потери тем выше, чем выше удельная объемная проводимость (илиниже его удельное объемное сопротивление ).

В случае приложения к диэлектрику переменного поля удельная мощность потерь определяется по формуле

,

где — удельная объемная активная проводимость; f — частота приложенного напряжения; — коэффициент диэлектрических потерь.

Очевидно, что диэлектрические потери тем выше, чем выше частота электрического поля и коэффициент диэлектрических потерь материала.

Развитие теплового пробоя затруднено, и диэлектрик может работать длительное время без повреждений при высоком напряжении, если

· значения удельной объемной проводимости (для постоян­ного напряжения) или коэффициента диэлектрических потерь (для переменного напряжения) низки;

· скорости их возрастания при повышении температуры не­значительны;

· теплопроводность диэлектрика велика.

Дата добавления: 2015-07-19