Определение и основные понятия

Тема 5. Пробой диэлектриков.

В сильных электрических полях появляются новые процессы, ограничивающие применение диэлектриков в качестве электрической изоляции между электропроводными элементами.

Изоляционный промежуток - устройство, или элемент устройства, содержащий электропроводные элементы с диэлектриком между ними. При повышении напряженности электрического поля в любом диэлектрике, после достижения определенного уровня возникает новое физическое явление - электрический пробой промежутка.

Электрический пробой - образование под действием высокого напряжения электропроводного плазменного канала в диэлектрике между электродами изоляционного промежутка. Диэлектрик при некотором значении электрического поля утрачивает электроизоляционные свойства, так как в диэлектрике образуется канал проводимости, состоящий из ионов и электронов. Напряжение между электродами уменьшается до нуля за счет разряда заряженной емкости диэлектрика через образовавшийся электропроводный канал. Следствием пробоя является ток короткого замыкания Iкз, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Действие тока короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика – образуется сквозное проплавленное отверстие.

После отключения изоляционного промежутка с жидким или газообразным диэлектриком от источника напряжения канал разряда в жидкости и в газе вследствие подвижности молекул исчезает и по прошествии некоторого времени напряжение можно снова подавать на устройство. Электрическая изоляция этих материалов восстанавливается. В твердых диэлектриках канал разряда разрушает сам материал и не происходит самовосстановления. Напряжение на устройстве практически невозможно подать после единичного пробоя. Изделие с пробитой изоляцией эксплуатировать нельзя из-за практически мгновенного повторного пробоя изоляции, но уже при более низком напряжении.

Напряжение, при котором происходит электрический пробой промежутка называется электрической прочностью промежутка.

Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Uпр, а напряженность электрического поля в этом случае характеризует электрическую прочность Eпр диэлектрика. Электрическая прочность диэлектрика - это минимальная напряженность приложенного электрического поля, при котором происходит пробой.

Для случая плоскопараллельного электрического поля Епр = Uпр/h, где h - толщина диэлектрика в месте пробоя.

Единица измерения электрической прочности в СИ = [В∙м], на практике чаще используют техническую единицу измерения – [кВ∙мм] = 10⁶[В∙м]

Электрическая прочность Епр диэлектриков зависит от большого количества факторов: в первую очередь от степени однородности диэлектрика (у твердых диэлектриков – от количества и размера пор, у жидких – от числа частиц нерастворенной примеси, у воздуха – микрокапли влаги), от химического строения и состава материала, от формы и расстояния между электродами, от типа и характеристик воздействующего напряжения и других показателей.

На сегодняшний день нет теории, которая бы учитывала одновременное влияние всех указанных факторов на механизм пробоя и с помощью которой можно было бы определять Епр для любых диэлектриков. Поэтому основным методом определения электрической прочности является экспериментальный.

Различают полный пробой, когда канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому, неполный пробой, когда канал проводимости не достигает одного из электродов (например, коронный разряд), и частичный, когда пробой происходит в газовых или жидких включениях (порах) твердой изоляции.

При совместном использовании диэлектриков, находящихся в разных агрегатных состояниях, пробой может происходить по границе раздела фаз. Такой пробой называют поверхностным пробоем (перекрытием). Практически чаще всего идет речь о поверхности изолятора, находящегося в воздухе. Напряжение поверхностного разряда в таких случаях как правило всегда ниже, чем электрическая прочность воздуха.