2.4 Пробой диэлектриков.▲
2.4.1. Общая характеристика пробоя.▲
Пробой диэлектрика – это явление, когда диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.
Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя Епр = Uпр/h, где h – толщина диэлектрика.
Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.
Существует несколько разновидностей пробоя:
Электрический пробой возникает тогда, когда некоторое количество носителей зарядов, ускоренных электрическим полем, приобретает энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Это приводит к появлению новых носителей заряда, которые также ускоряются полем, и в итоге возникает лавинообразный процесс увеличения тока, который развивается в течение 10-7 — 10-5 с. Этот процесс обычно локализован в узкой области диэлектрика, поэтому следствием его является появление разрядного канала, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика.
Тепловой пробойвозникает тогда, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, будет больше количества теплоты, отводимой от него в окружающую среду. В результате происходит нагрев диэлектрика, приводящий к его расплавлению или обугливанию.
Электрохимический пробой наступает при длительном действии напряжения и может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля .
Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.
2.4.2. Пробой газов.▲
Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.
Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию W=q·Uλ, гдеq– заряд,Uλ– падение напряжения на длине свободного пробега λ.
Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизациямолекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является W ≥Wи.
При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку qи λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называетсяначальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлениемстримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.
Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.
Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.
Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.
При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.
При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h(при Т =const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.2.8.
Рис.2.8. Зависимость электрической прочности газа от давления.
В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короныв местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.