Электрическая прочность диэлектриков

 

Пробой диэлектриков и электрическая прочность.Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критиче­ское значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свой­ства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрас­тает до 10⁸ А/м², а сопротивление диэлектрика уменьшается до та­кого значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение на­пряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, напряженность в момент пробоя – электрической проч­ностью.

Рис. 7.18. Типичная зависимость сквозного тока от приложенного напряжения при пробое диэлектрика.

На рис. 7.18 показана типичная зави­симость сквозного тока, протекающего через диэлектрик, от приложенного на­пряжения при пробое. Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло U_пр, то сквозной ток резко увеличивается даже тогда, когда напряжение на электродах уменьшается, так как в диэлектрике под действием приложенного напряжения происходят необратимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. В зависимости от свойств изоляции и мощности источника элект­рической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощно­сти источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подоб­ные изменения и диэлектрика, и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплав­ленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому об­разцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то про­бой происходит, как правило, при значительно меньших напряжениях, чем U_прпервого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия приложенного напряжения пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_пр,таккак атомы и молекулы газа или жидкости практически мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процес­се пробоя частицы.

Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом поле, то E_пр=U_пр/h, где Е_пр – электрическая прочность, В/м; U_np – пробивное напряжение, В; h – расстоя­ние между электродами, толщина изоляции, м.

На практике пробивное напряжение удобно выражать в кило­вольтах, толщину диэлектрика – в миллиметрах, а электрическую прочность – в киловольтах на миллиметр. В этом случае справедли­вы следующие соотношения: 10⁶В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

Рис. 7.19. Образцы для определения электрической прочности твердых электроизоляционных материалов.

Экспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образ­ца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и време­ни воздействия приложенного напря­жения. Значение Е_пр на постоянном напряжении может сильно отличаться от Е_прна переменном, а также различаются значения Е_прна импульсном напряжении при частоте 50 Гц и при более высоких частотах. На величину Е_пр влияют и другие фак­торы. Определение электрической прочности проводится стандар­тизованными методами. Только в этом случае возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Образцы для определения Е_пртвердых диэлектриков должны обеспечивать пробой в однородном поле; их размеры задаются в стандартах, и они намного больше размеров электродов для того, чтобы исключить поверхностный пробой. Для предотвращения по­верхностного пробоя можно проводить определение Е_прна образ­цах, расположенных в жидком диэлектрике, например трансфор­маторном масле. На рис. 7.19 приведены формы и размеры ряда об­разцов для определения Е_пр твердых диэлектриков. Если толщина образца не позволяет определить его U_пр, то в нем выполняют проточку, как это показано для толстых плоского (рис. 7.19, б) и цилиндрического (рис. 7.19, д) образцов.

Рис. 7.20. Ячейка для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков с латунными электродами Э1 и Э2

В качестве электродов могут ипользоваться массивные метал­лические нажимные электроды, изготовленные из нержавеющей ста­ли, меди, латуни и других металлов; притертые на вазелине и транс­форматорном масле фольговые, напыленные в вакууме металличе­ские, графитовые и другие электроды. Для получения в месте про­боя однородного поля диаметр D₁ нижнего электрода должен быть не менее чем в три раза больше диаметра D верхнего электрода (рис. 7.19, а). Могут применяться и электроды с одинаковыми диа­метрами (рис. 7.19, в). Однородное поле в тонких пленочных образ­цах обеспечивает применение полусферического верхнего электрода.

В керамических образцах полусферический электрод образуется в результате металлизации полусферической лунки (рис. 7.19, г). Для определения E_пржидких диэлектриков используют специаль­ные ячейки, выполненные из фарфора, стекла, кварца или специ­альных пластмасс, не реагирующих с испытуемыми жидкими диэлектриками. Электроды здесь изготовляются из латуни (рис. 7.20).

Измерение U_пробразцов диэлектриков производится на испы­тательных установках, принципиальная схема которых изображена на рис. 7.21.

Установка для измерения U_прпри частоте 50 Гц (рис. 7.21, а) состоит из испытательного трансформатора Т для повышения на­пряжения. Напряжение на низковольтной обмотке этого трансфор­матора плавно или ступенями изменяется с помощью автотранс­форматора АТ. Образец 1 подключен с помощью электродов 2 и 3к высоковольтной обмотке испытательного трансформатора. Защит­ный резистор R служит для ограничения тока, протекающего при пробое по высоковольтной обмотке трансформатора Т. Напряже­ние на образце измеряется вольтметром V, который градуируют по напряжению высоковольтной обмотки. Мощность испытательной ус­тановки должна быть достаточной, чтобы установившийся ток ко­роткого замыкания при пробое со стороны высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых и 20 мА жидких ди­электриков. Этот ток контролируют по амперметру мА, проградуированному по току короткого замыкания в высоковольтной обмот­ке. Напряжение на токоведущих частях высоковольтного трансфор­матора и резисторе R опасно для жизни. Поэтому трансформатор Т, резистор R и испытательное поле, на котором расположены обра­зец 1, электроды 2, 3,размещают в защитной камере ЗК.

Рис. 7.21. Принципиальная схема измерения пробивного напряжения на частоте 50Гц (а) и на постоянном напряжении (б).

В ходе определения Е_пр напряжение на низковольтной обмотке плавно или ступенями повышают и фиксируют напряжение пробоя по вольтметру V. В цепи низкого напряжения предусмотрено авто­матическое устройство, которое отключает питание установки в мо­мент пробоя. Сигнальная лампа СЛ указывает на включение и от­ключение установки.

Для измерения U_пр на постоянном токе (рис. 7.21, б) в цепь вы­сокого напряжения включают высоковольтный диод Д и конденса­тор С_ф, который служит для сглаживания пульсаций тока в этой однополупериодной схеме выпрямления.

Число пробоев при испыта­ниях оговаривается техничес­кими условиями на свойства материалов. Однако в любом случае число пробоев должно быть не менее 5. а при испытании узких и ленточных материалов электродами с диаметром 6 мм число пробоев должно быть не менее 10. В том случае, если отдельные результаты отличаются от среднего арифметического более чем на 15%, число пробо­ев увеличивается в два раза.

Физическая природа пробоя диэлектриков.Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрический пробой, в процессе которого диэлект­рик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Этот вид про­боя протекает в течение 10^-8-10^-5 с, т.е. практически мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свобод­ного пробега λ, электрон в электрическом поле Е приобретает энер­гию W=еЕλ, где е – заряд электрона. Если энергия электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами, ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизи­рует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии W_и. Таким образом, количество свободных электронов лавинно возрастает, что приводит к резкому повышению проводимости и электрическому пробою. Плотность жидких и твердых диэлектриков больше плотности га­зообразных, а поэтому длина свободного пробега электронов в них меньше. Для того чтобы электрон приобрел энергию W_и в жидком и твердом диэлектриках нужна большая напряженность электри ческого поля. Следовательно, в случае электрического пробоя элект­рическая прочность жидких и твердых диэлектриков больше, чем газообразных. Действительно, при нормальных условиях для воз­духа Е_пр=3·10⁶ В/м, для жидких диэлектриков может достигать 10⁸В/м, для твердых (монокристаллов) – даже 10⁹В/м.

Электротепловой пробой, обусловлен прогрес­сивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда на­рушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделя­ющаяся теплота больше отводимой, то диэлектрик нагревается и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, что происходит прожог, проплавление, т. е. пробой. Вре­мя развития и величина U_прэлектротеплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия (образца) и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10^-3-10^-2с, т.е. во много (миллионы) раз медленнее электрического. Значение E_прсостав­ляет до 10⁷ В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического соста­ва и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³-10⁸с и на­зывается временем жизни τ_ж диэлектрика. С увеличением напряже­ния или температуры τ_ж, как правило, уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях, значи­тельно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах. Раз­рушительное воздействие частичных разрядов на диэлектрик обу­словлено многими факторами: окисление полимерных диэлектриков; электроны и ионы производят механическое разрушение; оксиды азота и озон химически разрушают полимер; тепловое воздействие разряда.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при температурах, когда они находятся в высокоэластичном состоянии. Под действием сил электростати­ческого притяжения, происходит механическое сдавливание диэлектри­ка, уменьшение его толщины. При достижении критической дефор­мации происходит механическое разрушение образца.

Электромеханический пробой является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые об­ласти диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее на­гретых областей. В результате в диэлектрике возникают механи­ческие напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Пробой газообразных диэлектриков.Воздух служит внешней изоляцией электроизоляционных узлов трансформаторов, высоко­вольтных выключателей, изоляторов линий электропередачи и дру­гих электротехнических устройств.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоля­ционными свойствами только при низких напряжениях. В сильных электрических полях, когда начинается процесс ударной иониза­ции, проводимость газов резко возрастает. Энергия ионизации мо­лекул или атомов различных газов изменяется от 4 до 25эВ. Та­кую энергию имеет электрон, если скорость его движения равна 1000км/с.

Пробой развивается следующим образом. Под действием внеш­него ионизатора, например при фотоэмиссии электронов с катода, в разрядном промежутке образуются электроны. Эти первичные электроны, перемещаясь от катода к аноду, производят ударную ио­низацию, в результате чего возникает и перемещается к аноду со скоростью 10⁵м/с первичная электронная лавина. На пути следо­вания лавины образуется канал, состоящий из электронов и поло­жительных ионов, плотность которых лавинно увеличивается и она тем больше, чем ближе фронт лавины расположен к аноду.

В ряде случаев ускоренный полем электрон при столкновении с частицами газа передает им свою энергию, однако ионизации не происходит. Энергия затрачивается на перевод в возбужденное состояние электронов в атомах или молекулах. В последующем электроны возвращаются в невозбужденное состояние, а запасенная избыточная энергия излучается в виде кванта света, фотона. Фото­ны образуются и в результате рекомбинации электронов и ионов. Фотоны распространяются со скоростью света (3·10⁸м/с), и их энергия в некоторых случаях достаточна, чтобы произвести фотоионизацию других атомов или молекул, расположенных далеко впе­реди фронта первичной лавины. В результате появляются вторичные, образовавшиеся за счет фотоионизации электроны, которые в свою очередь начинают процесс ударной ионизации и порождают новые электронные лавины, расположенные далеко впереди фронта пер­вичной лавины.

Отдельные лавины нагоняют друг друга, сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электро­ны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состо­ит из положительных ионов и его называют стримером. Стример имеет форму острия, обращенного к катоду. Вблизи острия – головки стримера – напряженность электрического поля повышена и образующиеся в разрядном промежутке электроны притягиваются к острию. В результате область близ головки стримера превраща­ется в электропроводящую плазму, состоящую из положительных ионов и электронов. Часть электронов рекомбинирует с ионами, по­рождая фотоизлучение, которое вызывает вторично фотоионизацию. Образующиеся фотоэлектроны рождают новые, дочерние электрон­ные лавины, и стример перемещается к катоду, а генерируемые фо­тоэлектроны втягиваются в область, занятую положительными ио­нами, превращая ее в электропроводящую плазму. Стример пере­мещается к катоду со скоростью 10⁶м/с, достигает его, и электропроводящий плаз­менный канал замыкает разрядный промежуток. В результате уда­ров положительных ионов на поверхности катода образуется катод­ное пятно, излучающее электроны, которые со скоростью 10⁷м/с распространяются по электропроводящему плазменному каналу к аноду. Этот процесс наблюдается в разрядном промежутке как ис­кра (искровой разряд). Пробивным напряжением газа является на­пряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощ­ность источника напряжения достаточна для поддержания испаре­ния металла катода и мощного дугового разряда, то между элект­родами загорается электрическая дуга (дуговой разряд).

Скорости распространения электронных лавин к аноду, стриме­ра к катоду и электронов с катодного пятна к аноду большие, по­этому пробой газа в однородном поле развивается весьма быстро. Например, пробой промежутка 1 см при нормальных атмосферных условиях завершается за 10^-8-10^-7с. При кратковременном воздействии напряжения разряд в газе может не оформиться и пробивное напряжение повышается. Такое увеличение характеризуют коэффициентом импульса ng w:val="-2"/><w:sz w:val="30"/><w:sz-cs w:val="30"/></w:rPr><m:t>50</m:t></m:r></m:sub></m:sSub></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> , где – пробивное напряжение при энном импульсе; – пробивное напряжение при постоянном и временном напряжении с частотой 50 Гц. Коэффициент импульса зависит от формы импульса и однородности электрического поля в разрядном промежутке. При пробое промежутков с резко неодно­родным полем может достигать значения 1,5.

Для пробоя газа в однородном поле характерны зависимости электрической прочности от плотности газа и расстояния между электродами. Плотность газа прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Пробой газа в неоднородном поле отличается от пробоя в одно­родном. Неоднородное поле образуется между острием и плоско­стью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхно­стями, если расстояние между ними больше радиуса сферы. В тех местах между электродами, где напряженность имеет повышенное значение, начинается ударная ионизация уже при напряжениях, меньших характерного для данного промежутка пробивного напряжения. В результате возникает и локализуется в ограниченной зоне разряд в виде короны. Такую форму разряда называют неполным пробоем газа. Ионизированная плазма является проводником и. следовательно, продолжением электрода, около которого возникает корона. Из-за этого форма электрода изменяется так, что электри­ческое поле около него выравнивается. Максимальная напряжен­ность электрического поля становится равной напряженности, ми­нимально необходимой для ударной ионизации. Поэтому корона не распространяется на весь разрядный промежуток. При повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточ­ной мощности источника – в дуговой.

Пробой жидких диэлектриков.Природа пробоя жидких диэлект­риков во многом зависит от их чистоты.

Процесс электрического пробоя начинается с инжекции электро­нов в жидкий диэлектрик с катода и образования электронных ла­вин. В ходе распространения лавин возникают стримероподобные образования, которые в результате процессов фотоионизации пере­мещаются от анода к катоду со скоростью 10⁵м/с. Пробой заверша­ется, когда плазменный канал замыкает электроды. Плотность жидкости существенно больше плотности газа; следовательно, длина свободного пробега электро­нов, производящих ионизацию, здесь меньше. Поэтому энергию, достаточную для ионизации, элект­рон приобретает при напряжен­ности в 100 раз большей, чем в га­зах. В жидкости, содержащей газы, пробой начинается с ионизации газовых включений. В результате ионизации температура стенок газовых включений возрастает, что приводит к вскипанию микро­объемов жидкости, примыкающих к включению. Объем газа увели­чивается, включения сливаются, образуя между электродами мо­стик, по которому проходит разряд в газе. Газы имеют малый ко­эффициент теплопроводности. Следовательно, слой газа на электро­дах образует участок с большим тепловым сопротивлением. В ре­зультате температура близ границы раздела жидкость – газ по­вышается, что приводит к вскипанию жидкости, а далее и к ее про­бою. В процессе пробоя жидкости с большим содержанием газа (га­зовые включения), которые первоначально имеют сферическую фор­му, в электрическом поле деформируются. При деформации они превращаются в эллипсоиды вращения, удлиняются и сливаются образуя сплошной газовый канал между электродами, что приводит к пробою.

Механизм пробоя увлажненных жидкостей зависит от содержа­ния и состояния воды в них. Вода, содержащаяся в жидком ди­электрике в свободном виде, может быть в эмульсионном состоянии, когда образуются сферические капельки воды с диаметром 10^-6м. В электрическом поле водяные включения втягиваются в простран­ство между электродами и деформируются. При деформации обра­зуются эллипсоиды вращения, которые поляризуются и притягива­ются друг к другу и, сливаясь, замыкают электроды мостиками с ма­лым электрическим сопротивлением, по которым проходит разряд. Этим процессом объясняется уменьшение Е_пртрансформаторного масла при его увлажнении. При температурах, близких к 0°С, содержащаяся в масле вода нахо­дится в эмульсионном состоянии и Е_пр имеет минимальное значение. С увеличением температуры вода переходит в растворенное состоя­ние, т. е. отдельную ее фракцию и свободное состояние исчезает. В состоянии раствора примесь воды в меньшей степени снижает Е_пр трансформаторного масла. При температурах, больших 70°С в трансформаторном масле начинается процесс кипения легких его фракций и количество газов увеличивается, что снижает Е_пр. Увеличение Е_пр при понижении температуры до 40°С вызвано тем, что вода образует отдельную фракцию и замерзает. Электрическая прочность сухого масла имеет большее значение, чем увлажнен­ного, и практически не изменяется до температуры 70 °С.

В загрязненной твердыми частицами жидкости частички загряз­нений – волоконца, сажа, продукты разрушения твердой изоля­ции в электрическом поле – поляризуются, втягиваются в меж­электродное пространство и, так же как эмульсионная вода, обра­зуют между электродами сплошные цепочки с пониженным элект­рическим сопротивлением. По этим цепочкам и проходит разряд.

В жидкихдиэлектриках, содержащих воздушные включения, протекают и процессы химического разложения жидкости под дей­ствием ионизации. Такое явление называется вольтализацей жидко­сти. В качестве электроизоляционных широко используются жид­кости, состоящие из непредельных углеводородов. В ходе вольтализации таких жидкостей увеличиваются молекулярная масса и вяз­кость, выделяется водород, т.е. растет объем газовой фазы.

Про­цесс ионизации газа во включе­ниях протекает в электрических полях намного меньших Е_пр жидкости, поэтому такой вид про­боя откосят к электрохимичес­кому. Эти процессы обусловливают электрическое старение жидких диэлектриков. Время подготовки пробоя в ходе вольтализации достигает 10⁵с и более.

Пробой твердых диэлектриков.Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика и условий опреде­ления электрической прочности. При испытаниях на импульсах с длительностью 10^-8-10^-5с в условиях, когда отсутствуют раз­ряды у краев электродов, имеет место электрический пробой образца. Если проводимость такого диэлектрика велика и резко за­висит от температуры, то при выдержке этого же образца под на­пряжением в течение 10^-3-10^-2с в нем развивается тепловой про­бой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, однако такими, при которых в диэлект­рике происходят частичные разряды в газовых включениях или другие процессы, обусловливающие электрическое старение, на­блюдается электрохимический пробой.

Для электрического пробоя твердых диэлектриков характерны­ми являются следующие признаки. В сильных электрических полях в зависимости от тока, протекающего через диэлектрик, от напряжен­ности электрического поля отсутствует участок насыщения, харак­терный для газов и чистых жидкостей (см. рис. 7.2). При увеличе­нии напряженности ток перед пробоем растет экспоненциально. Для самых различных по свойствам диэлектриков Е_пр изменяется в до­вольно узких пределах: 10⁷-10⁸В/м. Величина Е_пр не зависит от свойств среды, окружающей образец. Электрическая прочность мо­нокристаллических диэлектриков различается при пробое вдоль различных осей монокристалла. Величина Е_пр не зависит от време­ни выдержки образца под напряжением и его толщины. Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электронов и завершается в течение 10^-8-10^-7с. Поэтому при меньших временах выдержки пробой не успевает за­вершиться и Е_пррастет. Пробой тонких (толщиной 10^-8-10^-5м) диэлектрических пленок обусловлен формированием многих элек­тронных лавин и поэтому требует более длительного времени – 10^-6-10^-5с. В таких образцах Е_прувеличивается уже при выдержках под напряжением, меньших 10^-6-10^-5с. Для того чтобы в таких пленках образующиеся при пробое электронные лавины приобрели достаточную для пробоя мощность, необходимо уве­личить напряженность электрического поля. Поэтому Е_прпри толщинах образца, меньших 10^-7-10^-6м, увеличивается и может достигать значений 10¹⁰В/м. При электрическом пробое Е_прне зависит от температуры, что соответствует участку А на рис. 7.22 (кривая 1). Однако в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, возможна термическая ионизация ловушек, а следовательно, увеличение концентрации электро­нов и уменьшение Е_пр (участок Б). Электрическая прочность ион­ных кристаллов при импульсных напряжениях с ростом температу­ры может и несколько увеличиваться (рис. 7.22, кривая 2).Это вы­звано торможением электронов в зоне проводимости при их взаимо­действии с ионами узлов кристаллической решетки. При электриче­ском пробое в однородном поле Е_пр больше, чем в неоднородном.

Величина Е_пр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попа­дает в объем между электродами. Такое уменьшение Е_пр характерно для бумаг, картонов и лакотканей, которые могут содержать различные включения с незначительным элект­рическим сопротивлением, для пори­стых керамик, где возможна иониза­ция газа в порах.

Для электротеплового пробоя ха­рактерно следующее: электрическая прочность Е_пр снижается при длительной выдержке под напряжением диэлектрик нагревается за счет диэлектрических потерь больше; при увеличении толщины уменьшается теплоотвод от образца в окружающую сре­ду. На постоянном напряжении диэлектрические потери вызываются электропроводностью и определяются электрическим сопротивле­нием образца и ростом теплоты. Для плоского конденсатора потери рассчитывают по формуле ). На переменном напряжении потери можно рассчитать по формуле:

.

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности, суммарная пло­щадь которой равна 2S. Отводимая мощность рассчитывается по фор­муле , где σ_Т - суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду. Вт/(м · К); Т – температура диэлектрика. Если Р>Р_отв, то под действием при­ложенного напряжения температура диэлектрика увеличивается, что с течением времени приводит к его тепловому разрушению – проплавлению, прожогу, другим подобным явлениям. Пробивное напряжение рассчитывают из условия, что Р=Р_отв. С ростом тем­пературы Т₀ уменьшаются ρ₀ и Р_отв растет tgδ, а поэтому Е_пр уменьшается.

Механизмы электрохимического пробоя различаются в органи­ческих и неорганических диэлектриках.

Основной причиной электрического старения полимеров явля­ются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном нанапряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают различные процессы, которые приводят к разрушению ди­электрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов – трубочек, заполненных образующимся в результате разложения полимера. Дендриты в ходе роста ветвятся и с течением времени пронизывают всю толщу диэлектри­ка, замыкая электроды заполненным газом каналом, по которому происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпок­сидных смол. Если изоляция работает в условиях повышенной влажности, то могут развиваться и водные дендриты. В слоистой изоляции на основе полимерных пленок под действием частичных разрядов происходит разрушение поверхности пленки. В результа­те уменьшения толщины уменьшается ее пробивное напряжение. Старение неорганических диэлектриков протекает более интен­сивно на постоянном напряжении.

Скорость процесса электрического старения возрастает при уве­личении напряженности электрического поля. Время τ_ж развития электрохимических процессов элек­трического старения при посто­янной температуре органических и неорганических диэлектриков можно рассчитать по эмпиричес­кой формуле , где А – постоянная, зависящая от условий старения; т — показатель, оп­ределяемый экспериментально и изменяющийся в широких преде­лах: 3—14. Время жизни уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону , где W – энергия активации процесса старения, Дж; R — постоянная Больцмана, Дж/К; Т- температура, К.

Изменение электрической прочности при облучении. Электри­ческая прочность при электрической форме пробоя не изменяется, если в материале под действием ионизирующих излучений не про­изошли необратимые физико-химические процессы деструкции ма­териала.

Ионизирующие излучения большой мощности вызывают нагрев вещества и уменьшают его теплопроводность, что снижает Е_пр при тепловом пробое диэлектрика. При облучении в диэлектрике мо­гут наблюдаться газовыделение и ионизация газа в порах. Эти про­цессы ускоряют разрушение и снижают электрическую прочность диэлектрика, как и частичные разряды, возникающие в диэлектри­ке в электрическом поле.

Глубина необратимых превращений в структуре и сопутствую­щее им снижение электрической прочности электроизоляционных материалов зависят от поглощенной дозы ионизирующих излуче­ний. Электрическая прочность деструктирующихся при облучении полимеров уменьшается при такой поглощенной дозе, когда резко ухудшаются их механические свойства. В полимерах, которые при облучении сшиваются, Е_пр уменьшается при такой поглощенной до­зе, где образец разрушается в результате нарастания хрупкости.

Поверхностный пробой. В электроизоля­ционных конструкциях, таких, как всевозможные фарфоровые и пластмассовые электрические изоляторы, фарфоровые покрышки электрических вводов высокого напряжения и их внутренняя изо­ляция, работающая в трансформаторном масле, при неблагопри­ятных условиях возникают поверхностные пробои и даже может образоваться поверхностная корона.

Увлажнение и загрязнение приводят к искажению распределе­ния потенциала и тока утечки на поверхности твердого диэлектрика, вследствие чего пленка влаги в отдельных местах испаряется. При разрыве проводящей пленки в разных местах на поверхности воз­никают мощные искры, под действием которых в материале могут об­разовываться проводящие каналы – треки.

Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов,

называется трекингом диэлектрика. Способность диэлект­рика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга характеризуется трекингостойкостью. Трекингостойкость опре­деляется повремени t_тр, в течение которого при стандартных формах электродов и напряжении на них U_тр, ток, протекающий между электродами по поверхности диэлектрика, достигает заданного зна­чения I_тр

Поверхностный искровой разряд существенно не повреждает по­верхность неорганических диэлектриков. Однако при мощном дуго­вом разряде происходит оплавление приповерхностных слоев даже фарфоровых изоляторов, а поверхность органических диэлектри­ков обугливается и на ней образуется сплошной проводящий след.

Способность диэлектрика выдерживать воздействие на его поверхность электрической дуги без недопустимого ухудшения свойств называют дугостойкостью. Дугостойкость диэлектрика на перемен­ном напряжении частоты 50 Гц определяется током дуги I_д и вре­менем t_д. При определении t_д близ поверхности плоского образца ди­электрика размещают два электрода, к которым приложено напря­жение 1000 В, и горит дуга, ток которой равен I_д. Возникающая дуга воздействует на поверхность диэлектрика, в результате чего через время t_д на поверхности образуется токопроводящая перемычка.

При разработке многих электроизоляционных изделий их поверхность конструируется такой, чтобы предотвратить при загрязнении и увлажнении образование поверхностных искровых разрядов и короны. Например, поверхность изоляторов выполняется ребристой, что удлиняет путь поверхностного разряда, а следовательно. повышает его напряжение. Ребра изолятора образуют также и уча­стки на его поверхности, защищенные от смачивания во время дождя.

Напряжение поверхностного перекрытия диэлектрика в газе может быть увеличено, если повысить давление.