Пробой твердых диэлектриков

Твердые диэлектрики обладают более высокой электрической прочностью, чем жидкие и газообразные, т.к. они имеют высокую плотность и требуется большая напряженность поля для возникновения в них ударной ионизации. Пробивная напряженность большинства твердых диэлектриков при кратковременном воздействии напряжения в однородном поле составляет 1000-10000 кВ/см.

Исследования процессов пробоя твердых диэлектриков показывают, что пробивная напряженность и сам механизм пробоя, определяются в основном структурой материала, видом и длительностью воздействующего напряжения.

По физической сути развития пробоя можно выделить четыре основных вида пробоя.

Электрический пробой представляет собой разрушение структуры диэлектрика непосредственно силами электрического поля. Это разрушение вызвано процессами ударной ионизации электронами, разгоняемыми приложенным электрическим полем.

Свободные электроны, появляющиеся в основном за счет эмиссии с катода, под действием высокой напряженности электрического поля устремляются в глубь твердого диэлектрика. Однако, из-за высокой плотности твердых материалов глубина их проникновения x мала и в среднем составляет 0,05 см. Благодаря высокой энергии электронов, соударения их с молекулами вещества приводят к разрушению химических связей. В результате на небольшом участке происходит переход твердого диэлектрика в состояние частично ионизированной газовой плазмы. Появляется небольшой канал разрушения. Этот канал переносит высокую напряженность поля в глубь материала, поэтому эмиссия электронов происходит уже на новом участке диэлектрика (Рис. 5.10).

Далее следует очередной частичный пробой и разрушение быстро прорастает к противоположному электроду. Этот вид пробоя развивается во времени практически мгновенно.

Рис. 5.10. Первый плазменный канал, эмитирующий электроны в диэлектрик

Электрическая прочность при чисто электрическом пробое называется кратковременной. Она определяет способность диэлектрика выдерживать кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие в процессе его эксплуатации в качестве электрической изоляции.

У однородных диэлектриков, имеющих одинаковые физические свойства во всех точках объема, электрическая прочность практически не зависит от толщины пробиваемых образцов (Рис. 5.11, график 1).

Большинство диэлектриков, применяемых на практике, отличается неоднородностью своей структуры. Попадание в однородный диэлектрик включений, обладающих повышенной проводимостью или малой диэлектрической проницаемостью, значительно снижает электрическую прочность. Это объясняется искажением электрического поля. Максимальная напряженность на поверхности включений может во много раз превосходить среднюю напряженность электрического поля в диэлектрике.

В этом случае к рассмотренному ранее механизму пробоя добавляются интенсивные процессы ударной ионизации в местах расположения неоднородностей. Поэтому у неоднородных диэлектриков, как правило, наблюдается уменьшение электрической прочности с увеличением их толщины (Рис. 5.11, зависимость 2).

Рис. 5.11. Зависимости пробивной напряженности от толщины диэлектрика:
1- однородный диэлектрик, 2- неоднородный

Тепловой пробой является следствием разогрева диэлектрика

диэлектрическими потерями при приложении электрического поля. Этот вид пробоя развивается следующим образом: когда к диэлектрику прикладывается напряжение, в нем выделяется теплота потерь и температура его повышается, вследствие чего потери еще более увеличиваются. Если количество выделяемой теплоты превысит количество теплоты, которое диэлектрик способен передать в окружающую среду, то процесс разогрева будет усиливаться.

В результате происходит расплавление или обугливание материала и его собственная электрическая прочность снижается настолько, что происходит

пробой. При этом для возникновения пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место диэлектрика, в котором теплоотдача хуже или удельные потери повышены.

Активная мощность, которую диэлектрик способен отвести за единицу времени через поверхность в окружающую среду, выражается формулой

Р = G·S·(t - t_o),

(5.2)

где G - коэффициент теплопередачи;

S - площадь поверхности диэлектрика;

t_o - температура окружающей среды;

t - температура диэлектрика.

Приравнивая мощность, отводимую от диэлектрика (5.2), к мощности, выделяемой в диэлектрике за счет диэлектрических потерь (4.7), можно получить условие теплового равновесия

U^2·^ω^·C·tgd = G·S·(t - t_o).

(5.3)

Из условия равновесия можно определить напряжение теплового пробоя:

(5.4)

Как видно из (5.4), электрическая прочность в случае теплового пробоя зависит не только от свойств диэлектрика (относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь, коэффициента теплопередачи), но и от температуры, частоты воздействующего напряжения, а также от условий охлаждения.

Для возникновения теплового пробоя необходимо определенное время, пока температура повысится до опасного уровня, поэтому время от приложения электрического поля до теплового пробоя существенно больше, чем при чисто электрическом пробое. Иногда оно имеет порядок нескольких минут и даже часов.

Электрохимический пробой связан с необратимыми химическими изменениями диэлектрика в электрическом поле. Так, под действием приложенного высокого напряжения, в диэлектриках могут возникать электролитические явления, вызывающие химическое разложение вещества и перенос внутри диэлектрика продуктов этого разложения. Процесс электролиза приводит к медленному прорастанию химических разрушений материала, свойства диэлектрика постоянно ухудшаются, ток проводимости растет, пока не наступает пробой диэлектрика. Этот процесс называется электрохимическим старением электроизоляционных материалов. Электролиз возникает в материалах с повышенной ионной проводимостью. К таким материалам относятся стекло, бумажно-масляная изоляция. Электрохимическое старение резко ускоряется при увлажнении изоляции и загрязнении ее веществами ионного характера. Способствует старению изоляции и действие высоких температур.

Ионизационный пробой вызван ионизацией и частичными разрядами, возникающими в газовых включениях изоляции (см. §4.4). Эти процессы оказывают на окружающий газовое включение диэлектрик электрическое, механическое и химическое воздействие. В результате возникает микроскопическая эрозия материала, расширяющая объем газового включения. Постепенно из газового включения начинают прорастать каналы, по мере удлинения которых рассеиваемая энергия возрастает, способствуя еще большей скорости эрозии материала. Под действием высокой температуры в каналах часто образуются смолистые вещества, каналы обуглероживаются и становятся проводящими. Повышенная напряженность электрического поля на концах этих каналов ведет к образованию новых пузырьков газа и дальнейшему развитию разряда. По форме такой разряд похож на ствол дерева с ветвями, поэтому он носит название ветвистого или дендритного разряда.

По времени ионизационный пробой развивается довольно медленно, до тех пор пока не будет перекрыт весь промежуток между электродами.

Контрольные вопросы

1. Каким параметром характеризуют электрическую прочность диэлектриков?

2. Какими процессами обусловлен пробой газов?

3. Почему в неоднородных электрических полях электрическая прочность воздуха ниже, чем в однородных?

4. Чем объяснить влияние полярности несимметричных электродов на разрядное напряжение?

5. Почему в вакууме и при повышенных давлениях пробивное напряжение газов имеет наибольшие значения?

6. Какие существуют виды пробоя жидких диэлектриков, чем они отличаются?

7. Какие существуют виды пробоя твердых диэлектриков, какими процессами они вызваны?

8. Почему с увеличением толщины твердого диэлектрика его электрическая прочность уменьшается?

Модуль 1

Тема 1.6. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ 1.6.1. Влажностные свойства 1.6.2. Термические свойства 1.6.3. Механические свойства Контрольные вопросы 1.6.1. Влажностные свойства Под воздействием влажности электрические свойства большинства диэлектриков, служащих в качестве электроизоляционных материалов, ухудшаются. Чрезвычайно сильное влияние воды на свойства электроизоляционных материалов связано с ее высокой относительной диэлектрической проницаемостью и большой степенью диссоциации на ионы, которая вызывает высокую электропроводность воды. Удельное объемное сопротивление воды составляет всего ρ = 10³÷10⁴ Ом·м. В воде легко диссоциируют и молекулы других веществ, что еще больше повышает электропроводность материалов, содержащих влагу. В результате увлажнения увеличиваются удельная электрическая проводимость и диэлектрические потери диэлектриков, а также уменьшается их электрическая прочность. Поэтому в электроизоляционной технике уделяется большое внимание устранению воды из электроизоляционных материалов и защите их от увлажнения в процессе эксплуатации. Главным источником влаги является обычная атмосфера, в которой находится электроизоляционный материал. Иногда электроизоляционные материалы находятся в прямом контакте с водой. При соприкосновении твердого диэлектрика с атмосферой, содержащей влагу, происходят два явления - адсорбция, т.е. поглощение влаги поверхностью диэлектрика и, абсорбция, т.е. поглощение влаги внутрь материала. Способность материала впитывать влагу из окружающей среды называется гигроскопичностью. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает его строение. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного сплошного строения. Гигроскопичность материалов, практически лишенных пор (например, стекол), может быть только поверхностной: поглощаемая из окружающей среды влага накапливается в виде тонкой пленки на поверхности материала, но не проникает вглубь. При увлажнении диэлектрики увеличивают свою массу. На этом основывается применение на практике условного показателя - влагопоглощаемости, которая определяется как относительное приращение массы при выдержке в воздухе со 100%-ной относительной влажностью:

где m₁ - масса испытываемого образца в высушенном состоянии; m₂ - масса образца после выдержки в увлажняющих условиях в течение 24,48 или 72 часов. Аналогично определяется условный показатель, называемый водопоглощаемостью, который характеризует приращение массы диэлектрика при погружении его в воду. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость, т.е. способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (оболочки кабелей, лаковые покрытия изоляции электрических машин и т.п.). Если влага проникает через слой диэлектрика толщиной h с одной стороны, которого давление водяного пара равно ρ₁, на другую сторону, где давление водяного пара ρ₂, то время t, через поверхность площадью S пройдет количество влаги:

, где коэффициент П и есть влагопроницаемость в секундах. Для различных материалов влагопроницаемость изменяется в широких пределах 10^-11 ÷ 10^-17 с. Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых электроизоляционных материалов широко применяется их пропитка и покрытие соответствующими малогигроскопичными и маловлагопроницаемыми материалами (лаками, компаундами, глазурями). 1.6.2. Термические свойства Температура в очень большой степени влияет на электрические и механические свойства диэлектриков. Практически важные качественные показатели электроизоляционных материалов при повышении температуры в большинстве случаев ухудшаются. Способность, диэлектрических материалов выдерживать воздействие высокой температуры без потери основных свойств называется нагревостойкостью. Нагревостойкость определяет максимальную температуру, при которой диэлектрический материал способен длительно эксплуатироваться, сохраняя при этом нужный уровень своих характеристик. Электроизоляционные материалы с точки зрения нагревостойкости делятся на классы нагревостойкости. Каждому классу нагревостойкости соответствует определенная предельная температура (см. табл. 6.1). Вопрос об отнесении материала к соответствующему классу решается на основе практических испытаний - обычно ускоренных испытаний на тепловое старение. В настоящее время по рекомендации Международной электротехнической комиссии вводятся новые характеристики, нагревостойкости: температурный индекс и диапазон нагревостойкости. Таблица 6.1.

Обозначение класса нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
Рабочая температура, ° С.							Выше 180

Температурный индекс - это число, значение которого равно температуре в градусах Цельсия, при которой срок службы изоляционного материала составляет 20000 часов. Температурный индекс обозначается буквами ТИ с записью после косой черты соответствующего значения температуры (например, ТИ/111).

Диапазон нагревостойкости (профиль нагревостойкости) - это показатель, состоящий из двух чисел, значения которых равны температурам, при которых срок службы материала составляет 5000 и 20000 часов, и третьего числа - температуры, при которой материал достигает срока службы 5000 часов с вероятностью 95 %. Диапазон нагревостойкости обозначается буквами ДНС, после которых через косую черту записываются соответствующие температуры для 5000 и 20000 ч и третье значение температуры записывается в скобках (например, ДНС 111/133 (129)).

Следует отметить, что в ряде случаев имеет большое значение холодостойкость электроизоляционных материалов, т.е. их способность работать при пониженных температурах, вплоть до криогенных. Как уже отмечалось, электроизоляционные свойства материалов при понижении температуры в большинстве случаев улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции.

При определении холодостойкости сравнивают механические характеристики материала например, деформацию при растяжении, при пониженной и нормальной температурах.