Виды пробоя твердых диэлектриков

Электрический (электронный) пробой

Пробой протекает в результате ударной ионизации молекул или ионов диэлектрика электронами, движущимися с высокой скоростью под действием электрического поля. В результате ударной ионизации в диэлектрике между электродами создается сплошной плазменный канал (стример) с высокой электропроводностью, состоящий из электронов и положительных ионов. Электрический пробой возникает при следующем условии:

W_э = e λ E ≥ W_и, (2.3)

где W_э – энергия электрона; e – заряд электрона; λ – средняя длина свободного пробега электрона – расстояние, которое проходит электрон от одного соударения с нейтральными ионом или молекулой диэлектрика до другого соударения; W_и – энергия ионизации молекул или ионов диэлектрика.

Для твердых диэлектриков при электрическом пробое Е_пр ≈ 10³ МВ /м и более, время выдержки диэлектрика под напряжением τ_выд < 10^-2 c.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электротепловой (тепловой) пробой

Пробой имеет место, если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике в результате диэлектрических потерь (q_выд), превышает количество тепла обводимого от элемента диэлектрика в окружающую среду (q_{отв )}:

q_выд > q_отв.. (2.4)

В результате диэлектрик нагревается до температур, при которых происходит его проплавление, обугливание или растрескивание.

При постоянном напряжении:

q_выд = Е²/ρ_v, вт/м³, (2.5)

где Е – напряженность электрического поля, Е = U / h, U - напряжение, h – толщина диэлектрика, ρ_v – удельное объемное сопротивление диэлектрика.

При переменном напряжении:

q_выд = ε tgδ f Е² / 1,8∙10¹⁰, вт/м³, (2.6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, δ – угол диэлектрических потерь, f – частота приложенного напряжения.

Количество тепла, обводимого от элемента диэлектрика:

q_отв = k S ( T – T₀ ), вт/м³, (2.7)

где k – коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик – электроды в окружающую среду;

k ≈ η / h; (2.8)

η – коэффициент теплопроводности диэлектрика; S – площадь элемента диэлектрика; T – температура диэлектрика; T₀ – температура окружающей среды.

При тепловом пробое Е_пр рассчитывают, исходя из условия:

q_{выд =} q_отв. (2.9)

C учетом (2.5 и 2.7) для постоянного напряжения получим:

_. (2.10)

а для переменного напряжения, учитывая (2.6 и 2.7):

‭

_. (2.11)

Для твердых диэлектриков при тепловом пробое Е_пр ≈ 10 ÷ 10² МВ /м, время выдержки под напряжением τ_выд ≈ 10^-2 ÷ 10⁶ c.

Электрохимический пробой (электрическое старение)

Пробой включает два этапа: предпробойный период и собственно пробой. В первый период происходит медленное изменение химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля, сопровождающееся уменьшением его электрического сопротивления. При уменьшении сопротивления до критического уровня происходит тепловой или электрический пробой диэлектрика. Для твердых диэлектриков при электрохимическом пробое Е_пр ≈ 10 МВ/м и менее, время выдержки под напряжением τ_выд > 10⁶ c.

Время жизни диэлектрика – период времени то начала эксплуатации диэлектрика до его пробоя в результате электрохимического старения. Время жизни диэлектрика уменьшается при увеличении напряженности электрического поля и температуры.

Ионизационный пробой

Этот вид пробоя является разновидностью электрического пробоя. Возникает в результате ионизации и пробоя газовых пор в твердом диэлектрике (частичных разрядов). В результате частичных разрядов в пористом твердом диэлектрике из воздуха, содержащегося в порах, образуются сильные окислители - озон и оксиды азота, которые химически разрушают диэлектрик. Электроны и ионы, бомбардирую стенки пор, разрушают диэлектрик механически. Нагрев диэлектрика под действием частичных разрядов вызывает его термическое разрушение.