Вопрос 1.

Электрическая прочность диэлектриков

Электрической прочностью называется свойство диэлектрика сохранять свое электрическое сопротивление при приложении эл. напряжения. Потери диэлектриком своих изоляционных свойств при превышении напряженности поля некоторого критического значения называется пробоем, напряжение – пробивным напряжением.

Электрическую прочность определяю величиной пробивного напряжения, отнесенного к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Пробой диэлектриков может наступать в результате электрических, тепловых, а также электрохимических процессов, происходящих под действием электрического поля. Механизм пробоя лучше всего рассматривать в зависимости о агрегатного состояния вещества.

5.1. Пробой жидких диэлектриков

Часто в качестве диэлектрика используется воздух (обычная среда, где эксплуатируется РЭА, а также воздушные конденсаторы переменной емкости и т.п.).

Механизм пробоя воздуха и др. газов следует рассматривать как следствие явления ударной ионизации и фотоионизации.

Некоторое количество содержащихся в газе свободных электронов и ионов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, получают дополнительную энергию при действии поля, начинают перемещаться в направлении

q – заряд

ul – падение напряжения на длине своб. пробега заряда

При однородном

Е – напряженность

l – длина свободного пробега зар. частиц

Отсюда

Дополнительная энергия сообщается молекулам, кот. либо ионизируются, либо возбуждаются.

Условие возможности ионизации

или

Энергию ионизации обычно характеризуют ионизационным потенциалом, кот. представляется в виде энергии ионизации, приходящейся на единичный заряд

uи=4ё 25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

Ударная ионизация начинается при определ. величине напряжения , при заданной t и давл., т.к. l и q для каждого газа постоянны. Можно показать, что ионизация газов начинается при u і 1000 км/сек., т.к. скорость электрона, пришедшего без разность потенциалов u

Следовательно, u min» 12000 км/сек (u=4 В)

Процесс пробоя может быть представлен в следующем виде:

1. Электрон, движущ. под действием

с молекулами может вызывать:

• расщепление молекулы на + и –

• образование – ионов (присоед. электронов)

• возбуждение молекул (избыточная энергия в виде фотона, кот. может ионизировать другую молекулу)

Фотоны, двигаясь с u =3Ч 1010 см/сек обгоняют медленно движущ. ионы и образуют стример (проводящий канал). От анода к катодам нач. образование полож. потока ионов. В результате концентрац. ионов достигает 1012 ион/см3. образуется газообразная плазма.

Время пробоя 10-8 сек. Это электрический пробой, т.к. он связан только с действием эл.

Скорость возникновения эл. пробоя зависит от величины прилож. напряжения и чем оно больше, тем быстрее развив. пробой. При малой длительности прилож. напряжения t пробивное напряжение повышается

uпр t – пробивное напряжение при данном t или

u0 – проб. напряжение при пост. токе или 50 Гц

b t может достигать 1,5

Явление пробоя зависит от степени однородности эл. поля, в кот. осуществляется пробой.

5.1.1. Пробой газа в однородном поле

В однородном поле (поле двух сред. между 2-мя плоскими пластинами бесконечной длины или с загнутыми краями) при малом расстоянии между ними. Чем меньше расстояние, тем выше эл. прочность, такая зависимость объясняется трудностью формирования разряда при малых расстояниях

Епр» 3,2 кВ/мм при расстоянии ~ 1 см.

Электрическая прочность воздуха и газов зависит от давления. Обычно приводятся графики зависимости uпр max=f(pЧh)

Если h=1-const, то uпр max=f(p) при t° –const. При увеличении давления расст. между молек. и длина свобод. пробега уменьшается, эл. прочность возрастает. При давлении – эл. прочность сначала уменьш., а затем, достигнув критич. точки начинает увеличиваться, что объясняется уменьшением числа молекул в объеме газа до такого значения, при котором вероятность столкновений с электронами очень уменьшается. При большом вакууме пробой можно объяснить холодной эл.прочность доходит до 102 МВ/м.

Зависимость uпр=u(f) имеет минимум.

При f>5Ч 106 Гц повыш. пробивное напр. объясняется инерционностью.

Наконец в знач. степени на эл. прочность влияет хим. состав газа.

Углекислота СО2 0,9 Пары хлороформа CHCl3 4,2

Азот N2 1,0 Пары четыреххлористого

Генсафгрид сера SF6 2;5 углерода CCl4 6,4

Дихлорметан 2,6

(Фреон) CCl2F2

При t=20° С и Р=760 мм рт. ст.

5.1.2. Пробой газа в неоднородном поле

Возникает между

• двумя остриями

• между острием и полем

• проводами антен. РпрУ

• между сос. поверхностями

при h>Rсд

Ионизация газа происходит у устья, где напр-ть поля выше. При (+) на объемный заряд служит продолж. Иглы и протяженность промежут. Во-втором случае объемн. заряд частиц нейтрализ. и иглы.

Зависимость uпр от h при разных частотах отличается от тех же значений при однородном поле.

5.2. Пробой жидких диэлектриков

Для нормальных условий эл. прочность выше, чем у газов. Причины: более высокая плотность (в 2000 раз) и меньше расстояние между молекулами. На прочность жидких диэлектриков влияют примеси. Особенно сказываются примеси воды, полярных веществ и воздуха.

5.3. Пробой твердых диэлектриков

Могут наблюдаться три вида пробоя

1. электрический

2. тепловой

3. электрохимический

Протекают по разному

• у одноодных д-х

• у неоднородных д-х

Каждый из них может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера эл. поля (пост., перем., н.ч., в.ч.)

• времени воздействия напр-я

• наличия

• толщины материала

• условий охлаждения

При сравн. низких t наблюд. эл. пробой, при t і 300-750° С – тепловой.

5.3.1. Характерными признаками эл. пробоя являются – перед пробоем нарушается закон Ома

или

(ф-ла Пуля) (ф-ла Френкеля)

При опред. величине и ток увеличивается и происходит разрушение диэлектрика

• пробивная напр-ть эл. пробоя находится в узких пределах (106ё 107 В/см)

• пробивная напр-ть не зависит от толщины образца до 10-4ё 10-5 см

• при t Ј 10-7 см, а в неоднородном поле t n Ј 10-6 см наблюдается возрастание пробивной напр-ти

• Епр эл. пробоя значит. меньше зависит от t , чем при тепловом пробое

• В неоднородном поле эл. пробой обычно происходит в месте наибольшей напр-ти поля, например, у края электрода.

• Решающим фактором при эл. пробое является напряженность эл. поля, т.к. она обусл. процесс образования и движения электронов в диэлектрике.

Зависимости для керамич. материалов

При больших толщинах усиливается неоднородная структура, возрастает налич. слабых мест, газовых включений и пробивн. напряжение в своем посте, отстает от роста толщины, а эл. прочность уменьшается.

5.3.2. Характерные признаки теплового пробоя

• Пробивная напр-ть поля уменьшается

1. с увелич. t°

2. с увелич. длит. прилож. напр. (t п)

3. с ростом f Гц

4. с увелич. h

5. с ухудшен. теплоотвода

• пробой происходит в том месте, где наименьшая телоотдача.

По теории Фоке В.А., Вальтера А.Ф., Семенова Н.Н. основным условием развития теплового пробоя является зависимость tgd от t°

и

Для диэлектрика толщиной 2h между 2-мя пластинами в эл. однородном поле тепла отводится

В состоянии равновесия

При пост. напр-нии

При переменном

s – к-т теплоотдачи Вт/см2 град

s – пов-ть диэлектрика, см2

tр – температура диэлектрика

t0 – температура окруж. среды

Пробой наступит, когда температура достигнет tкр

tgd кр – соотв. критической

Для практических целей

a – темпер. к-т tgd

f – частота, Гц

j (с) – функция,

l 1 – к-т теплопроводности электродов

d – толщина электродов, см.

5.3. Электрохимический пробой

Сопровождает процесс электрохимического старения (необратимый процесс). Имеет значений при повыш. t° и влажности. Развивается при пост. и перем. напр. низкой частоты на в.ч. может иметь место в закрытых порах материала происход. Газа, сопровожд. тепловым эффектом. Наблюдается у многих органич. и неорганич. материалов.