Пробой твердых диэлектриков
Существует четыре вида пробоя твердых диэлектриков:
1. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков.
Такой вид пробоя характеризуется тем, что в некотором месте твердого диэлектрика создается электронная лавина. Плотность тока в этом месте повышается и затем наступает пробой благодаря возникновению ударной ионизации.
Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков не связан с электропроводностью и с диэлектрическими потерями, поэтому он не приводит к нагреву твердого диэлектрика. Он характерен быстрым развитием и наступает за время 10-8- 10-7с.
2. Электрический пробой макроскопически неоднородных твердых диэлектриков.
Такой механизм пробоя наблюдается в твердых диэлектриках неоднородной структуры, т.е. в слоистых диэлектриках (слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла), в диэлектриках с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика), в диэлектриках, содержащих газовые включения (плотная керамика) и т. д.
У большинства таких диэлектриков в однородном и неоднородном электрическом поле пробивные напряжения имеют небольшие значения и мало отличаются друг от друга. В однородном поле пробивное напряжение стекла, электротехнического фарфора, керамики практически не зависит от толщины образца. За счет неоднородной структуры таких диэлектриков в них наблюдается тепловой пробой, а также большая мощность диэлектрических потерь на ионизацию. Эти факторы приводят к разогреву указанных выше диэлектриков.
3. Тепловой пробой твердых диэлектриков.
Тепловой пробой твердого диэлектрика наступает, когда количество теплоты, выделяющееся в твердом диэлектрике, устойчиво превысит количество теплоты, которое отдается в окружающую среду.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. По толщине твердого диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях.
Активную мощность диэлектрических потерь, которая греет твердый диэлектрик, определим по формуле:
.
Активная мощность, которая выделяется в окружающую среду:
,
где
- коэффициент теплоотражения,
,
S– площадь поверхности твердого
диэлектрика,
,
T0– начальная температура твердого диэлектрика,К,
Т– конечная температура твердого диэлектрика,К.
На
основе выполнения равенства
находим значение электротеплового
пробивного напряжения:
.
Электротепловое пробивное напряжение зависит от частоты поля , от качества твердого диэлектрика (С, tg,r), его размеров (S), условий охлаждения ((Т-Т0),) диэлектрика. Кроме того, на электротепловое пробивное напряжение влияет органическое или неорганическое происхождение твердого диэлектрика (у неорганических диэлектриков выше нагревостойкость).
4. Электрохимический пробой твердых диэлектриков.
Электрохимический пробой может наблюдаться при повышенной температуре и повышенной влажности окружающей среды в тех случаях, когда твердый диэлектрик находится длительное время в эксплуатации под номинальным напряжением постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидах металлов переменной валентности (например, TiO2).
За счет электрохимических процессов, происходящих в твердом диэлектрике, с течением длительного времени существенно снижается его сопротивление изоляции, что приводит к увеличению сквозного тока утечки через диэлектрик, т.е. этот механизм пробоя связан с явлением электропроводности, а также с ионизацией газовых включений в неоднородных твердых диэлектриках. Такой вид пробоя приводит к некоторому разогреву диэлектрика.