5. 4. 3. Электрический пробой (электронный)

Этот вид пробоя по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих свободных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Это происходит после того как скорость электронов в электрическом поле превысит 100 км/с, и они становятся способными от­щеплять новые электроны у атомов кристаллической решетки. Образуется лавина, которая ищет себе путь продвижения наиболее легкий (где есть какие-то дефекты, примеси). Лавина на пути продвижения к электродам образует проводящий канал, соединяющий электроды; наступает пробой почти мгновенно, за I0^-6 ... 10^-7 с. Величина электрической прочности при этом виде пробоя зависит от однородности структуры, от толщины диэлектрика, от площади приложенных электродов. Чем выше однородность диэлектрика, тем выше его электрическая прочность (таблица 5.1). Чем тоньше неоднородный диэлектрик, тем выше его прочность, т. к. вероятность попадания неоднородностей уменьшается. Поэтому прочность пленок выше, чем этих же материалов большей толщины.

Таблица 5. 1

Материал диэлектрика	Особенности структуры, толщина	Епр, МВ/м
Стекло	Однородный диэлектрик	~ 300
Плотная керамика	Неоднородный диэлектрик	~ (10…30)
Пористая керамика	Очень неоднородный диэлектрик	~ (1,5…2,5)
Фторопласт-4	Толщина 3 мм	~ 30
Фторопласт-4	Пленка ≈ 30 мкм	~ 200

При снятии напряжения после пробоя свойства твердых диэлектри­ков не восстанавливаются.

5. 4. 4. Электрохимический пробой

Он наблюдается в жидких и твердых диэлектриках, в которых под действием электрического поля возникают электролитические процессы (разложение, электролиз и т. д.), обуславливающие постепенное необра­тимое уменьшение сопротивления изоляции. Такое явление называется старением диэлектрика, оно приводит к постепенному снижению электриче­ской прочности материала. Наблюдается как в органических, так и неорганических диэлектриках.

Наиболее часто электрохимический, пробой имеет место в органических пропитанных диэлектриках (пропитанный картон), а также в керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiO₂), или щелочных окислов. Электрохимический пробой на­блюдается в постоянных или низкочастотных переменных полях при по­вышенных температурах и высокой влажности. При электрохимическом пробое у твердых диэлектриков после снятия напряжения свойства не вос­станавливаются. В высокочастотных электрических полях электрохимии-ческий пробой не наблюдается (не успевает произойти).

5. 4. 5. Электротепловой пробой твердых диэлектриков (тепловой пробой)

Этот вид пробоя сводится к разогреву диэлектрика в электрическом поле, приводящему к его растрескиванию, обугливанию или сгоранию. Это происходит, когда тепло, выделяемое в изделии за счет диэлектриче­ских потерь, превышает тепло, отводимое от его поверхности. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, усло­вий охлаждения, температуры окружающей среды, от формы изделия, от нагревостойкости материала, его теплопроводности.

В большинстве случаев теплоотвод от нагретого диэлектрика обусловлен конвекцией воздуха, теплопроводностью и лучеиспусканием — условия работы подвесных керамических изоляторов линий передач, каркасов катушек индуктивности; теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место в кабелях, вводах, проходных изоляторах.

Рассмотрим условия теплового равновесия для изоляционного изде­лия и расчет рабочего и пробивного напряжения, для него при помощи уравнений для тепла, выделяющегося в изделии (Р_а) и тепла, отводимого от него (Q). Используем при этом графики зависимости Р_а и Q от темпера­туры и знание того, что тепловой пробой обусловлен нарушением тепло­вого равновесия диэлектрика и окружающей среды вследствие больших диэлектрических потерь (Р_а).

Мощность Р_а, выделяющаяся в диэлектрике (изделии), емкость которого С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой ω, равна

тепловыведение (нагрев). (5. 26)

Тепловая мощность Q, отводимая от нагретого изделия, пропорциональна суммарному коэффициенту теплоотдачи - σ, площади поверхности - S и разности температур изделия Т_д и окружающей среды Т₀

теплоотвод (теплоотдача). (5. 27)

Условие теплового равновесия изделия определяется равенством этих мощностей

(5. 28)

На рис. 5. 23 представлены зависимости Р_а и Q от температуры.

В общем случае они имеют пересечения при температуре Т_д1 и Т_д2, а значит в этих точках имеет место тепловое равновесие диэлектрика (изделия), т. е. Р_а = Q.

Т_д1 – температура, при которой имеет место устойчивое динамическое тепловое равновесие диэлектрика. При меньшей температуре (Т<Т_д1) он будет нагреваться, т. к. Q <Р_а, а если температура его немного превысит U, то диэлектрик начнет охлаждаться, т. к. Q>P_a. Используя это в точке, можно приравнять уравнения для Р_а и Q и определить напряжение, при котором диэлектрик может устойчиво работать, имея запас по нагреву.

Т_{д. кр} — это температура тоже теплового равновесия, но если она будет превышена хоть на долю градуса – начнется развитие теплового пробоя. Её можно назвать критической температурой теплового равновесия и по ней, приравняв Q и Р_а, можно определить напряжение теплового пробоя.

Рассуждая таким образом, запишем выражения для рабочего и прибивного напряжения для рассматриваемого изделия (диэлектрика)

и (5. 29)

Рис. 5. 23

Электротепловой пробой диэлектриков зависит от нагревостойкости материала. Чем выше нагревостойкость диэлектрика, тем при более высо­ких температурах будет развиваться тепловой пробой. Для двух диэлектриков с разными классами нагревостойкости поведение показано на рис. 5.24.

Рис. 5. 24

1^ая – зависимость принадлежит органическому диэлектрику (класс нагревостойкости У — 90º С);

2^ая — неорганическому диэлектрику (класс нагревостойкости C ≥ 180° C). До температуры 90º С для кривой 1, и 180°С для кривой 2 имеет место электрический пробой, а после этих температур (для соответствующих диэлектриков) будет развиваться тепловой пробой — наблюдается довольно резкий спад электрической прочности.

Существуют и другие виды пробоя, которые могут иметь место при специфических условиях. Ниже приводятся некоторые из них.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при повышенных температурах. Под действием сил электростатического притяжения между токоведущими частями изделия происходит механическое сдавливание диэлектрика, которое может привести к его механическому разрушению.

Электротермомеханический пробой может иметь место в хрупких пористых диэлектриках, например в керамике. При ионизации газа в порах керамики образуются перегретые области, их расширение больше, чем в других областях. В результате в диэлектрике возникают механические напряжения, приводящие к микротрещинам, а в итоге может произойти механическое разрушение диэлектрика.

Поверхностный пробой твердых диэлектриков может происходить, если в процессе эксплуатации поверхность диэлектрика подвергается действию загрязнений, увлажнению. При этом значительно уменьшается сопротивление поверхности и повышается ток, а соответственно и температура. Это может вызывать интенсивное разложение молекул кислорода воздуха (воды) на атомарный кислород. Под воздействием этих факторов происходит деструкция (разложение) поверхности диэлектрика, которая у ряда материалов сопровождается выделением углерода в виде проводящих мостиков – треков.

Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя называется трекингом диэлектриков.