11.1.Электрический пробой твердых диэлектриков

Электрический пробой происходит в течение весьма короткого времени (~10^-8 сек) и обычно имеет место при низких температурах и малых временах приложения напряжения. Пробой завершается образованием узкого изломанного канала без следов оплавления.

Первоначально за счет эмиссии с катода появляется первый электрон, который, ускоряясь в электрическом поле, вызывает ударную ионизацию с образованием лавины. В процессе движения электроны могут терять энергию внутри кристаллической решетки и при соударениях с атомами или молекулами. Пробой завершится, если при движении в поле электроны будут приобретать энергию большую, чем они рассеивают в решетке.

Особенность электрического пробоя в том, что повторное приложение напряжения приводит, как правило, к образованию новых путей пробоя, то есть первичный пробой не выводит из строя изоляцию.

Исследование прочности твердых диэлектриков проводится на образцах, которые позволяют получить примерно однородное поле. Для предотвращения поверхностных разрядов образцы погружают в среду с большой диэлектрической проницаемостью (трансформаторное масло, толуол, кремнийорганические жидкости).

а) б)

Рис.15

Для однородного поля стабильна, то есть зависимость между и линейна, что позволяет характеризовать твердый диэлектрик . В неравномерном поле ниже и зависимость нелинейна от расстояния. Это связано с перенапряжениями, облегчающими пробой и возникновение в местах концентрации напряженности краевых разрядов, усиливающих неравномерность.

Таблица 2

№ п/п	материал
		(кВ эфф)/см
1	Воск	250300
2	Картон	120150
3	Асбест	2060
4	Лакоткань	500600
5	Фарфор	250300
6	Полистирол	250500
7	Фторопласт	13002500
8	Кварц	10002000

Примечание. Для синтетических и пленочных материалов значения приведены для образцов небольшой толщины, до 1 мм.

В слоистых и неоднородных диэлектриках на границах слоев (пор) концентрируется напряженность и начинается ионизация, снижающая пробивное напряжение. Увеличение времени приложения напряжения снижает .

Рис.16

В области малых времен повышается за счет уменьшения вероятности появления первого эффективного электрона. Для некоторых диэлектриков наблюдается снижение в области 10^-610^-2 сек, что связано с появлением и влиянием объемных разрядов.

11.2.Тепловой пробой твердых диэлектриков

Теория теплового пробоя была разработана в 1922 г. Фоком. Согласно его теории пробой твердого диэлектрика наступает тогда, когда диэлектрик будет расплавлен током, проходящим через него при приложении электрического поля.

На стыке изломов кристаллических решеток возникают места, обладающие повышенной проводимостью, увеличение плотности тока по этим путям приводит к увеличению выделения тепла и разогреву с дополнительным увеличением проводимости. Процесс может нарастать до образования канала малого сопротивления.

- количество тепла, которое выделяется в канале

,

где - приложенное напряжение;

- средняя проводимость канала;

- площадь поперечного сечения канала;

- длина канала.

а) б)

Рис.17

- тепло, отводящееся от стенок канала.

,

где - коэффициент теплоотдачи.

Пробой возможен при условии

откуда

Рис.18

, и

.

Проведенные эксперименты подтвердили эту зависимость. Повышение пробивного напряжения может быть достигнуто за счет увеличения (материалы с лучшей теплоотдачей), уменьшения (материалы с меньшей проводимостью), (материалы с большей плотностью и однородностью).