5. 4. Пробой диэлектриков

Диэлектрик в электрическом поле теряет свои свойства электроляционного материала, если напряженность поля, превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением – U_пр, а соответствующее ему значение напряженности поля – Е_пр – электрической прочностью диэлектрика,

(5. 22)

где d – толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность Е_пр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала. На её значение влияет множест­во факторов: однородность поля, вид напряжения, время нахождения ди­электрика под напряжением, частота поля, температура, влажность диэлектрика, его чистота, нагревостойкость и др. Явления, имеющие место в диэлектрике при и после пробоя, определяются видом материала. Так в га­зах, в месте пробоя, образуется канал газоразрядной плазмы, в жидкостях происходит вскипание и газовыделение, сопутствующие образованию проводящего канала, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остаётся прожженное или проплавленное отверстие, нередко покрытое изнутри проводящими продуктами разложения.

5. 4. 3. Виды пробоя

Для газообразных, жидких и твердых диэлектриков различают несколько видов пробоя.

1. Ионизационной, связанный с ударной и фотоионизацией. Он ха­рактерен для газообразных и очень чистых жидких диэлектриков. Развива­ется мгновенно (10^-7…10^-8 с). После снятия напряжения прочность таких диэлектриков восстанавливается.

2. Чисто электрический – за счет возникающей лавины электронов. Он характерен для беспримесных твердых однородных и неоднородных материалов с малыми диэлектрическими потерями. Развивается мгновенно (10^-6…10^-7 с), когда скорость электронов v ≥ 100 км/с.

3. Электрохимический пробой. Он связан с возникновением хими­ческих процессов в диэлектрике (жидком или твердом) под действием электрического поля – химическое разложение, электролиз и т.п. Развивается медленно (минуты, часы, дни и более).

4. Электротепловой пробой. Наблюдается в твердых (или жидких) диэлектриках. Обусловлен нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи.

5. Поверхностный пробой. Это пробой в газообразном или жидком диэлектрике прилегающем к поверхности, твердой изоляции. Он связан с появлением короны, искры, проводящего канала по поверхности.

Разберем немного подробнее наиболее часто встречающиеся виды пробоя.

5. 4. 2. Ионизационный пробой

Этот пробой ввязан с ударной и фотоионизацией. Рассмотрим его на примере газообразного диэлектрика. Заряженная частица газа, например электрон, в электрическом поле получает направленное ускоренное движение. При этом она приобретает энергию W_част, зависящую от заряда частицы (q), средней длины её свободного пробега (λ_ср) и напряженности поля (Е):

(5. 23)

Если энергия частицы станет равной или больше энергии ионизации данного газа W_ион, то начнется ударная ионизация, приводящая через 10^-6... 10^-7 секунды к пробою газа.

Если то можно записать

(5. 24)

Энергия ионизации газа при данных условиях (температура, давление) величина постоянная. Тогда можно записать, что

(5. 25)

Отсюда следует, что если уменьшить λ_ср, то возрастет Е_пр, а если увеличить λ_ср, то Е_пр уменьшится.

Рассмотрим, как происходит ударная ионизация газа. Схема развития этого пробоя в газе приведена на рис. 5. 20. Заряженная частица, энергия которой стала равной энергии ионизации газа, при соударении с нейтральным атомом (молекулой) способна его ионизировать, т.е. выбить у него один или два валентных электрона, а сам атом превратить в положительно заряженный ион. Освободившиеся электроны, ускоряясь в поле, создают новые заряженный частицы (рис. 5. 20, а) и т.д.

Рис. 5. 20

Возникает лавина, состоящая из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые, и образуют проводящий канал (рис 5.20, б). В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать атом (или молекулу), а перевести его в возбужденное состояние. В следующий мо­мент после удара возбужденный атом отдает свою избыточную энергию в виде излучения – испускает фотон. Фотон, опережая основную лавину (его скорость равна скорости света 10⁸ м/с), может ионизировать другой атом. Такая внутренняя фотоионизация газа приводит к образованию стримеров – частично проводящих каналов, опережающих основную лавину, что приводит к особенно быстрому развитию пробоя (τ ≤ 10^-8 с).

Электрическая прочность газов сильно зависит от однородности по­ля (рис. 5. 21). В однородном поле, образующемся, например, между двумя шарами "шар – шар" прочность выше, чем в неоднородном поле, образующемся между шаром и иглой "шар – игла".

Рис. 5. 21

Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от давления (рис. 5. 22). При давлениях (Р) выше нормального увеличение Е_пр связано с уменьшениям длины свободного пробега электронов λ_ср , а при малых (Р) ниже нормального – уменьшается Е_пр в связи с увеличением λ_ср.

При давлении меньше 0,5 атм. Е_пр начинает увеличиваться, так как количество частиц газа в объеме уменьшается и затруднено формирование канала проводимости. Пробой при высоком разряжении газа происходит за счет электронов, вырываемых из металла электродов.

Внешней изоляцией во многих электротехнических устройствах – в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач – является воздух.

Рис. 5. 22

Его электрическая прочность невелика по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками – 3,2 МВ/м. Шестифтористая сера – SF₆ (элегаз) - с большей массой молекулы, чем воздух, имеет прочность ~ 8 МВ/м. Если же в воздух добавить пары хлора то, реагируя с молекулами воздуха, Сl утяжеляет их и тем самым увеличивает прочность в 6 - 7 раз. Подобное явление наблюдается при введении фтора и др. элементов.

Ионизационный пробой тщательно очищенных жидкостей имеет тот же механизм, что и у газов, но электрическая прочность их выше, чем га­зов - 30 ... 80 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напря­женность поля для ионизации молекул жидкости, т. к., ее, заряженная частица обладает меньшей длиной свободного пробега в более плотной среде, какую имеет жидкость по сравнению с газом. При снятии напряжения по­сле, такого вида пробоя свойства газов (жидкостей) восстанавливаются. Жидкие диэлектрики применяются в качестве изолирующей и охлаждающей среды, для пропитки твердых пористых материалов.