Билет №19 (Ответы на экзамен 2)

4

Билет №19

5.4. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Твердые диэлектрики являются важной составной частью любого электротехнического устройства. Задача их — не допускать прохож­дения тока нежелательными путями. Находясь под напряжением, твердая электрическая изоляция не может выдерживать любые его значения. При некотором критическом напряжении, превышающем Upаб, ток проводимости резко (скачкообразно) возрастет и диэлек­трик утратит свои электроизоляционные свойства — наступает про­бой. Пробой твердых диэлектриков завершается их тепловым или (и) механическим разрушением. При пробое в твердой изоляции образу­ется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при по­вторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения. Пробой твердой изоляции электротехнического устройства означает аварию. Электротехническое устройство с пробитой твердой изоля­цией эксплуатировать нельзя, оно требует ремонта — замены детали с пробитой изоляцией или устройства в целом.

Различают три основные формы пробоя твердых диэлектриков:

электрическую,

электротепловую и

электрохимическую, — каждая из которых может иметь место у одного и того же диэлектрика в за­висимости от его состояния и внешних условий — наличия дефектов, в том числе пор, охлаждения, времени воздействия напряжения, характера электрического поля (постоянное, переменное или импульсное, низкой или высокой частоты) и т.п. Наиболее часто встречаемой и наиболее хорошо изученной является электротепло­вая форма пробоя. Каждый из этих трех видов пробоя может проте­кать самостоятельно, но чаще один механизм накладывается на другой, или пробой начинается по одной из форм пробоя, а завер­шается другой.

Кроме указанных трех видов пробоя, в литературе встречаются высказывания о возможности других разновидностей пробоя или промежуточных его форм: электромеханической, электротермомеханической и др. Однако существование этих разновидностей оконча­тельно не доказано.

5.4.1. Электрический пробой

На практике электрический пробой твердых диэлектриков обыч­но происходит при попадании в электроустановку грозового разряда (молнии) или в результате коммутационных перенапряжений. Эта форма пробоя не обусловлена ни тепловыми процессами (электроте­пловой пробой), ни электрическим старением (электрохимический пробой). Электрический пробой происходит, когда практически ис­ключено влияние диэлектрических потерь, частичных электрических разрядов в порах изоляции и на ее поверхности (около электродов) и т.п.

В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследствие образования в диэлектрике между электродами плазменного газоразрядного канала, в формировании которого участвуют эмиссион­ные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания Iкз.

Существенное влияние на механизм электрического пробоя оказывает отрицательный объемный заряд, образующийся при инжекции электронов из катода за счет их захвата ловушками диэлек­трика.

На основании имеющихся экспериментальных данных механизм электрического пробоя твердых диэлектриков выглядит следующим образом. На начальной стадии из-за неполного пробоя образуется прерывистый канал небольшого диаметра (у NaCl менее 1мкм). Да­лее, в результате увеличения плотности тока до 10⁸—10⁹ А/м² , канал проплавляется до диаметра 10—12 мкм и начинает прорастать к про­тивоположному электроду. Вокруг прорастающего канала наблюда­ется свечение прилегающей области, диаметр которой намного боль­ше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока в разрядной цепи Iкз, т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлек­триках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, вет­вящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направ­лений. Времени, необходимого для образования канала пробоя, тре­буется в 10—100 раз больше, чем при пробое воздуха.

С точки зрения зонной теории твердого тела, механизм электронной ударной ио­низации можно представить следующим образом. Электрон, находящийся в зоне про­водимости (ЗП) (свободный электрон), разгоняясь под действием электрического поля, увеличивает свою энергию. Эту приобретенную (добавочную) энергию электрон с некоторой вероятностью может передать другому электрону, находящемуся в ва­лентной зоне (ВЗ). В случаях, когда энергия, получаемая электроном, находящимся в ВЗ, будет равна или больше ширины запрещенной зоны (33) ∆W (∆Wравна энергии ионизации Wи), этот электрон из ВЗ перейдет в ЗП. Если при этом сам ионизирую­щий электрон остается в ЗП, то происходит лавинное увеличение электронов в ЗП. Наступает пробой.

Напряженность поля, при которой происходит пробой твер­дых диэлектриков, достигает высоких значений — до 10³ МВ/м и более. Такие высокие значения Епр можно объяснить тем, что по сравнению с воздухом твердый диэлектрик имеет более высокую (в ~1000 раз) плотность упаковки своего тела частицами (молекулами или ионами) и, следовательно, малую величину средней длины сво­бодного пробега электрона λ. Поэтому для образования электронных лавин необходимы более высокие значения напряженности поля, чем у воздуха.

Получить чисто электрическую форму пробоя трудно. Обычно на этот вид пробоя накладывается электротепловая или (и) электрохи­мическая форма пробоя. Чтобы исключить (или снизить) различные побочные влияния на электрическую форму, пробой производят на импульсах напряжения в среде жидкого диэлектрика, ε которого больше, чем ε испытуемого образца. Для электрического пробоя ха­рактерны:

а) малое время развития пробоя (10^-6с и менее);

б) незначительная зависимость Епр (практически не зависит) от
толщины образца при h ≥ 10—20 мкм и времени приложения напря­
жения при τ ≥ 10^-7 — 10^-6 с. При толщине образца менее 10—20 мкм
имеет место электрическое упрочнение — существенное увеличение
Епр при уменьшении h.

При электрической форме пробоя величина Епр существенно за­висит от плотности упаковки структурных элементов диэлектрика, т-е. от плотности упаковки ионов — при ионном строении, моле­кул — при молекулярном строении, макромолекул и образуемых ими надмолекулярных структур (типа и размера) — у полимеров. Плот­ность упаковки структурных элементов, в свою очередь, зависит от химического состава и строения диэлектрика.

5.4.2. Электротепловой пробой

Электротепловой пробой твердых диэлектриков на практике встре­чается чаще, чем другие формы пробоя. Возникает он вследствие на­рушения в диэлектрике теплового равновесия между процессами те­пловыделения и теплоотдачи и проявляется в тепловом разрушении материала (расплавлении, прожиге и т.п.) в месте наибольших ди­электрических потерь.

Под действием диэлектрических потерь, обусловленных релак­сационными видами поляризации и током сквозной проводимости, протекает процесс тепловыделения; материал диэлектрической кон­струкции нагревается. Повышение температуры сопровождается возрастанием диэлектрических потерь и, следовательно, дальней­шим увеличением количества выделяемого тепла. Образующееся тепло в результате высокой теплопроводности металла токопроводящих частей электроустановки, а также конвекции воздуха (или жидкого диэлектрика) отводится от диэлектрика в окружающую среду — идет процесс теплоотдачи. Если при этом тепловыделение превысит теплоотдачу, то разогрев диэлектрика приведет в конеч­ном счете к тепловому разрушению материала и потере электриче­ской прочности.

Обычно тепловое разрушение происходит в виде проплавления или прожигания узкого канала в месте наибольшей структур­ной неоднородности — наибольшей дефектности материала (на­пример, в микротрещине или поре, заполненной влагой). В этом месте возникают наибольшие релаксационные потери и наиболь­шая плотность тока и, следовательно, наибольшее количество вы­деляемого тепла.

Упрощенным расчетом пробивного напряжения при электротеп­ловом пробое диэлектрической конструкции является графоаналити­ческий метод. Этот метод позволяет оценить значения Unp и Uраб и, главное, наглядно демонстрирует причины, приводящие к электро­тепловому пробою.

Процесс тепловыделения характеризуется мощностью, рассеи­ваемой в диэлектрике, и выражается уравнением диэлектрических потерь

P=U²ωCtgδ. (5.18)

Процесс теплоотдачи характеризуется мощностью, отводимой от диэлектрика, и выражается с помощью формулы Ньютона

P = σS(T-To), (5.19)

где σ — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² • К); S — площадь поверх­ности диэлектрика, м²; Т— температура поверхности диэлектрика, К (считается, что температура по всему объему диэлектрика и на его поверхности одинаковая и равна T); Тo — температура окружающей среды, К.

Рис. 5.19. Температурные зависимости мощности тепловыделения Р (1 и 2) и мощности теплоотдачи Pт с поверхности детали (3)

В случае теплового равновесия (Р = Рт) имеет

U²ωCtgδ.= σS(T-To) (5.20)

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графи­ческим построением зависимости Р и Рт от температуры (рис. 5.19).

На диэлектрическую конструкцию подадим напряжение U1. В диэлектрике возникнут процессы тепловыделения (кривая 1) и те­плоотдачи (прямая 3). Кривая 1 пересекает прямую 3 в двух точках, соответствующих T1раб и T1кр. За счет тепла, выделяемого в результате диэлектрических потерь, материал конструкции нагреется до некото­рой температуры, равной T1раб, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия между тепловыделением и тепло­отдачей (Р = Рт). Однако под действием кратковременных перена­пряжений, потерь в магнитопроводах и проводниках, посторонних случайных источников тепла диэлектрик может нагреться до темпе­ратуры, превышающей Т1раб.

Если эта температура станет равной или большей Т1кр, то выделяемая мощность превысит мощность отводи­мого тепла; наступит тепловое разрушение — электротепловой про­бой. Следовательно, максимально допустимая температура нагрева диэлектрика за счет посторонних источников тепла должна быть ниже Г1кр. В данных условиях напряжение £/, будет не опасным для нормальной работы диэлектрической конструкции.

Повысим напряжение до значения U2. Мощность тепловыделе­ния в данном случае будет характеризоваться кривой 2, а значение Т2Раб в результате сильно возросших диэлектрических потерь станет равным Т2кр. В этом случае никакого теплового равновесия между Р И Рт не произойдет, поэтому температура диэлектрика начнет безгра­нично возрастать вплоть до температуры его теплового разрушения. Наступит электротепловой пробой.

Согласно условию теплового равновесия (кривые 1, 3) между процессами тепловыделения и теплоотдачи (Р = Рт, из выражения (5.20) находим рабочее напряжение детали

Upаб =√[ σS(Tраб1 – To)/ωCtgδ1] (5.21)

где tgδ1, соответствует температуре Tраб1.

В случае нарушения теплового равновесия (кривые 2, 3) между тепловыделением и теплоотдачей (Р > Рт) из выражения (5.20) нахо­дим напряжение электротеплового пробоя

Uпр =√[ σS(Tкр2 – To)/ωCtgδ2] (5.22)

где tgδ2 соответствует температуре Ткр2.

Из выражений (5.21) и (5.22) видно, что чем больше частота на­пряжения ω, полярность диэлектрика ε и его tgδ и чем выше темпе­ратура окружающей среды То, тем ниже Upa6 и Uпр. Чем больше σ и S, тем выше Uраб и Unp.

Кроме указанных характеристик, напряжение электротеплового пробоя Uпр зависит также от нагревостойкости материала (см. гл. 6.3). При прочих равных условиях у диэлектриков с более высокой нагревостойкостью Uпр выше Расчеты по формуле (5.22) не дают точных значений Unp, так как электротепловой пробой более сложное явление, чем было рассмот­рено выше. Графоаналитический метод расчета Upаб и Unp не учи­тыват всех факторов, влияющих на процессы тепловыделения и теплоотдачи, имеющих место в реальных условиях. Например, тем­пература имеет перепад по толщине диэлектрика в результате его низкой теплопроводности. Поэтому средний слой оказывается на­гретым до более высокой температуры, чем слой, прилегающий к токонесущему проводу и соприкасающийся с воздухом. Сопротивле­ние среднего слоя снижается, что приводит к искажению электриче­ского поля и повышению градиента напряжения в поверхностных слоях. В результате электротепловой пробой происходит при мень­шем значении напряжения, чем при полученном из метода упро­щенного расчета (5.22).

Более строгая теория электротеплового пробоя, разработанная В.А. Фоком, А.Ф. Вальтером и Н.Н. Семеновым, учитывает распре­деление температуры по толщине диэлектрика. Предложенная ими формула для расчета Unp при постоянном и переменном токе приме­нима для изделий простейшей конфигурации, например для тонких пластин или полых цилиндров с большим отношением длины к диа­метру (в радиальном поле). При этом предполагается, что электроды охватывают всю площадь, перпендикулярную тепловому потоку, а диэлектрические потери увеличиваются с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Действующее значение пробивного напряжения Uпр.эф (кВ) при переменном токе определяется формулой

Uпр. =383√[ λ2/ αεtgδƒ] φ(c) (5.22)

где λ2— удельная теплопроводность диэлектрика, Вт/(м•К);

α — температурный коэффициент tgδ, К-1, α = (lg tgδ2 - lg tgδ1,)/(T2 — T1)