Пробой диэлектриков

5. 4. Пробой диэлектриков

Диэлектрик в электрическом поле теряет свои свойства электроляционного материала, если напряженность поля, превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением – Uпр, а соответствующее ему значение напряженности поля – Епр – электрической прочностью диэлектрика,

где d – толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность Епр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала. На её значение влияет множество факторов: однородность поля, вид напряжения, время нахождения диэлектрика под напряжением, частота поля, температура, влажность диэлектрика, его чистота, нагревостойкость и др. Явления, имеющие место в диэлектрике при и после пробоя, определяются видом материала. Так в газах, в месте пробоя, образуется канал газоразрядной плазмы, в жидкостях происходит вскипание и газовыделение, сопутствующие образованию проводящего канала, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остаётся прожженное или проплавленное отверстие, нередко покрытое изнутри проводящими продуктами разложения.

5. 4. 3. Виды пробоя

Для газообразных, жидких и твердых диэлектриков различают несколько основных видов пробоя.

1.Ионизационной, связанный с ударной и фотоионизацией. Он характерен

для газообразных и очень чистых жидких диэлектриков. Развивается мгновенно (10-7…10-8 с). После снятия напряжения прочность таких диэлектриков восстанавливается.

2.Электрический – за счет возникающей лавины электронов. Он характерен для беспримесных твердых однородных и неоднородных

материалов с малыми диэлектрическими потерями. Развивается мгновенно (10-6…10-7 с), когда скорость электронов v ≥ 100 км/с.

3.Электрохимический пробой. Он связан с возникновением химических процессов в диэлектрике (жидком или твердом) под действием электрического поля – химическое разложение, электролиз и т.п. Развивается медленно (минуты, часы, дни и более).

4.Электротепловой (тепловой) пробой. Наблюдается в твердых (или жидких) диэлектриках. Обусловлен нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи.

5.Поверхностный пробой. Это пробой в газообразном или жидком диэлектрике прилегающем к поверхности, твердой изоляции. Он связан с

появлением короны, искры, проводящего канала по поверхности. Разберем немного подробнее наиболее часто встречающиеся виды

пробоя.

5. 4. 2. Ионизационный пробой

Этот пробой ввязан с ударной и фотоионизацией. Рассмотрим его на примере газообразного диэлектрика. Заряженная частица газа, например электрон, в электрическом поле получает направленное ускоренное движение. При этом она приобретает энергию Wчаст, зависящую от заряда частицы (q), средней длины её свободного пробега (λср) и напряженности поля (Е):

Если энергия частицы станет равной или больше энергии ионизации данного газа Wион, то начнется ударная ионизация, приводящая через 10-6...

10-7 секунды к пробою газа.

Если Wчаст=Wион, то можно записать

Отсюда следует, что если уменьшить λср, то возрастет Епр, а если увеличить λср, то Епр уменьшится.

Рассмотрим, как происходит ударная ионизация газа. Схема развития этого пробоя в газе приведена на рис. 5. 20. Заряженная частица, энергия которой стала равной энергии ионизации газа, при соударении с нейтральным атомом (молекулой) способна его ионизировать, т.е. выбить у него один или два валентных электрона, а сам атом превратить в положительно заряженный ион. Освободившиеся электроны, ускоряясь в поле, создают новые заряженный частицы (рис. 5. 20, а) и т.д.

Рис. 5. 20

Возникает лавина, состоящая из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые, и образуют проводящий канал (рис 5.20, б). В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать атом (или молекулу), а

перевести его в возбужденное состояние. В следующий момент после удара возбужденный атом отдает свою избыточную энергию в виде излучения – испускает фотон. Фотон, опережая основную лавину (его скорость равна скорости света 108 м/с), может ионизировать другой атом. Такая внутренняя фотоионизация газа приводит к образованию стримеров – частично проводящих каналов, опережающих основную лавину, что приводит к особенно быстрому развитию пробоя (τ ≤ 10-8 с).

Электрическая прочность газов сильно зависит от однородности поля (рис. 5. 21). В однородном поле, образующемся, например, между двумя шарами "шар – шар" прочность выше, чем в неоднородном поле, образующемся между шаром и иглой "шар – игла".

Рис. 5. 21

Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от давления (рис. 5. 22). При давлениях (Р) выше нормального увеличение Епр связано с уменьшениям длины свободного пробега электронов λср , а при малых (Р) ниже нормального – уменьшается Епр в связи с увеличением λср.

При давлении меньше 0,5 атм. Епр начинает увеличиваться, так как количество частиц газа в объеме уменьшается и затруднено формирование канала проводимости. Пробой при высоком разряжении газа происходит за счет электронов, вырываемых из металла электродов.

Внешней изоляцией во многих электротехнических устройствах – в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач – является воздух.

Епр

Р, атм

0,5 1,0 Рис. 5. 22

Его электрическая прочность невелика по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками – 3,2 МВ/м. Шестифтористая сера – SF6 (элегаз) - с большей массой молекулы, чем воздух, имеет прочность ~ 8 МВ/м. Если же в воздух добавить пары хлора то, реагируя с молекулами воздуха, Сl утяжеляет их и тем самым увеличивает прочность в 6 - 7 раз. Подобное явление наблюдается при введении фтора и др. элементов.

Ионизационный пробой тщательно очищенных жидкостей имеет тот же механизм, что и у газов, но электрическая прочность их выше, чем газов - 30 ... 80 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для ионизации молекул жидкости, т. к., ее, заряженная частица обладает меньшей длиной свободного пробега в более плотной среде, какую имеет жидкость по сравнению с газом. При снятии напряжения после, такого вида пробоя свойства газов (жидкостей) восстанавливаются. Жидкие диэлектрики применяются в качестве изолирующей и охлаждающей среды, для пропитки твердых пористых материалов.

5. 4. 3. Электрический пробой (электронный)

Этот вид пробоя по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих свободных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Это происходит после того как скорость электронов в электрическом поле превысит 100 км/с, и они становятся способными отщеплять новые электроны у атомов кристаллической решетки. Образуется лавина, которая ищет себе путь продвижения наиболее легкий (где есть какие-то дефекты, примеси). Лавина на пути продвижения к электродам образует проводящий канал, соединяющий электроды; наступает пробой почти мгновенно, за I0-6 ... 10-7 с. Величина электрической прочности при этом виде пробоя зависит от однородности структуры, от толщины диэлектрика, от площади приложенных электродов. Чем выше однородность диэлектрика, тем выше его электрическая прочность (таблица 5.1). Чем тоньше неоднородный диэлектрик, тем выше его прочность, т. к. вероятность попадания неоднородностей уменьшается. Поэтому прочность пленок выше, чем этих же материалов большей толщины.

При снятии напряжения после пробоя свойства твердых диэлектриков не восстанавливаются.

5. 4. 4. Электрохимический пробой

Он наблюдается в жидких и твердых диэлектриках, в которых под действием электрического поля возникают электролитические процессы (разложение, электролиз и т. д.), обуславливающие постепенное необратимое уменьшение сопротивления изоляции. Такое явление называется старением диэлектрика, оно приводит к постепенному снижению электрической

прочности материала. Наблюдается как в органических, так и неорганических диэлектриках.

Наиболее часто электрохимический, пробой имеет место в органических пропитанных диэлектриках (пропитанный картон), а также в керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiO2), или щелочных окислов. Электрохимический пробой наблюдается в постоянных или низкочастотных переменных полях при повышенных температурах и высокой влажности. При электрохимическом пробое у твердых диэлектриков после снятия напряжения свойства не восстанавливаются. В высокочастотных электрических полях электрохимиический пробой не наблюдается (не успевает произойти).

5. 4. 5. Электротепловой пробой твердых диэлектриков (тепловой пробой)

Этот вид пробоя сводится к разогреву диэлектрика в электрическом поле, приводящему к его растрескиванию, обугливанию или сгоранию. Это происходит, когда тепло, выделяемое в изделии за счет диэлектрических потерь, превышает тепло, отводимое от его поверхности. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды, от формы изделия, от нагревостойкости материала, его теплопроводности.

В большинстве случаев теплоотвод от нагретого диэлектрика обусловлен конвекцией воздуха, теплопроводностью и лучеиспусканием — условия работы подвесных керамических изоляторов линий передач, каркасов катушек индуктивности; теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место в кабелях, вводах, проходных изоляторах.

Рассмотрим условия теплового равновесия для изоляционного изделия и расчет рабочего и пробивного напряжения, для него при помощи уравнений для тепла, выделяющегося в изделии (Ра) и тепла, отводимого от него (Q). Используем при этом графики зависимости Ра и Q от температуры и знание того, что тепловой пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика и окружающей среды вследствие больших диэлектрических потерь (Ра).

Мощность Ра, выделяющаяся в диэлектрике (изделии), емкость которого С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой ω, равна

пропорциональна суммарному коэффициенту теплоотдачи - σ, площади поверхности - S и разности температур изделия Тд и окружающей среды Т0

На рис. 5. 23 представлены зависимости Ра и Q от температуры.

В общем случае они имеют пересечения при температуре Тд1 и Тд2, а значит в этих точках имеет место тепловое равновесие диэлектрика (изделия), т. е. Ра = Q.

Тд1 – температура, при которой имеет место устойчивое динамическое тепловое равновесие диэлектрика. При меньшей температуре (Т<Тд1) он будет нагреваться, т. к. Q <Ра, а если температура его немного превысит U, то диэлектрик начнет охлаждаться, т. к. Q>Pa. Используя это в точке, можно приравнять уравнения для Ра и Q и определить напряжение, при котором диэлектрик может устойчиво работать, имея запас по нагреву.

Тд. кр — это температура тоже теплового равновесия, но если она будет превышена хоть на долю градуса – начнется развитие теплового пробоя. Её можно назвать критической температурой теплового равновесия и по ней, приравняв Q и Ра, можно определить напряжение теплового пробоя.

Рассуждая таким образом, запишем выражения для рабочего и прибивного напряжения для рассматриваемого изделия (диэлектрика)

T

Электротепловой пробой диэлектриков зависит от нагревостойкости материала. Чем выше нагревостойкость диэлектрика, тем при более высоких температурах будет развиваться тепловой пробой. Для двух диэлектриков с разными классами нагревостойкости поведение Епр= f (T ) показано на рис.

5.24.

Епр

1 2

Т, ºС

Рис. 5. 24

1ая – зависимость принадлежит органическому диэлектрику (класс нагревостойкости У — 90º С);

2ая — неорганическому диэлектрику (класс нагревостойкости C ≥ 180° C). До температуры 90º С для кривой 1, и 180°С для кривой 2 имеет место электрический пробой, а после этих температур (для соответствующих диэлектриков) будет развиваться тепловой пробой — наблюдается довольно резкий спад электрической прочности.

Существуют и другие виды пробоя, которые могут иметь место при специфических условиях. Ниже приводятся некоторые из них.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при повышенных температурах. Под действием сил электростатического притяжения между токоведущими частями изделия происходит механическое сдавливание диэлектрика, которое может привести к его механическому разрушению.

Электротермомеханический пробой может иметь место в хрупких пористых диэлектриках, например в керамике. При ионизации газа в порах керамики образуются перегретые области, их расширение больше, чем в других областях. В результате в диэлектрике возникают механические напряжения, приводящие к микротрещинам, а в итоге может произойти механическое разрушение диэлектрика.

Поверхностный пробой твердых диэлектриков может происходить, если в процессе эксплуатации поверхность диэлектрика подвергается действию загрязнений, увлажнению. При этом значительно уменьшается сопротивление поверхности и повышается ток, а соответственно и температура. Это может вызывать интенсивное разложение молекул кислорода воздуха (воды) на атомарный кислород. Под воздействием этих факторов происходит деструкция (разложение) поверхности диэлектрика, которая у ряда материалов сопровождается выделением углерода в виде проводящих мостиков – треков.

Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя называется трекингом диэлектриков.