Электрический пробой диэлектриков

1.1. Электрический пробой диэлектриков

В твердых диэлектриках различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический. Возникновение того или иного вида пробоя в диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов, условий эксплуатации.

Надежность и долговечность электрической изоляции проводов, диэлектрика конденсатора и других деталей радиоэлектронной аппаратуры зависят от электрической прочности диэлектрика. Пробоем называется потеря диэлектриком электроизолирующих свойств материала в канале, образующемся между электродами, под действием электрического поля. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением (U_пр).

Электрическую прочность диэлектрика E_пр в однородном электрическом поле определяют величиной пробивного напряжения U_пр, отнесенной к толщине диэлектрика d (расстоянию между электродами):

                                      , В/м.                                        (2.10)

Допускаются производные единицы измерения: МВ/м, кВ/мм, кВ/см.

В случае неоднородного поля под E_пр подразумевают среднее значение пробивной напряженности.

Величина E_пр характеризует способность диэлектрика противостоять разрушающему действию электрического поля.

Явление пробоя связано с нарушением химических связей между молекулами (атомами), ионизацией атомов вещества лавинообразно нарастающим под действием ударной ионизации потоком электронов. Электрическая прочность материала определяется длиной свободного пробега электронов, то есть плотностью вещества и его агрегатным состоянием.

Пробой твердых диэлектриков

Рекомендуемые материалы

В твердых диэлектриках различают три основных видов пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический. Возникновение того или иного вида пробоя в диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов, условий.

Электрический пробой – это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность Е_пр твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах – 100 ÷ 1000 МВ/м, что близко к Е_пр сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Величина Е_пр обусловлена главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин). Характерно очень малое время электрического пробоя – менее микросекунды.

Электротепловой пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь.

Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика емкостью С, при подаче на него напряжения U (действующее значение) с угловой частотой ω [соотношение (2.9)]

P_~ =U² ω C tg δ.

Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S  и разности температур образца T и окружающей среды T₀:

                                        P_~ =kS(T-T₀),                                          (2.11)

где k – коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощностей, поглощаемой и рассеиваемой:  P_~ =P_p. Так как tg δ обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической температуры Т_кр, значение P_~ >P_p (рис. 2.11); другая точка равенства P_~  и P_p(T₁) соответствует устойчивому равновесию. В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к его разрушению (плавлению, сгоранию).

Согласно условию теплового равновесия

                                    ,                                      (2.12)

где  tg δ соответствует критической температуре Т_кр.

Рис. 2.11. Зависимость мощности, поглощаемой P_~ и рассеиваемой Р_р образцом диэлектрика, от его температуры

Следовательно, из данного материала при заданной рабочей частоте изоляция может быть изготовлена в расчете на пробивное напряжение не выше указанного значения. Это напряжение зависит от коэффициента диэлектрических потерь и других параметров.

В отличие от электрического пробоя напряжение электротеплового пробоя, как видно из (2.12), зависит от частоты:

                                          ,                                            (2.13)

где А - постоянная (частотной зависимостью диэлектрических потерь пренебрегаем).

Следовательно, U_пр снижается на высоких частотах. Аналогично U_пр при тепловом пробое зависит от температуры, снижаясь с ее повышением за счет роста tg δ [см. (2.12)]. По указанным причинам с повышением частоты f или температуры Т, когда напряжение теплового пробоя  U_ПР.Т велико, происходит электрический пробой, а при высоких  f или Т, когда U_ПР.Т снижается до значений, меньших напряжения электрического пробоя U_ПР.Э, пробой становится электротепловым (рис. 2.12).

Критическая частота f_кр или температура Т_кр, при которых происходит переход от электрического к тепловому пробою, зависят от свойств диэлектрика, условий теплоотвода изоляции, времени приложения напряжения, скважности импульсов.

Рис. 2.12. Типичная зависимость пробивного напряжения от частоты и температуры

Пробивное напряжение с увеличением длительности действия приложенного напряжения уменьшается из-за дополнительного разогрева диэлектрика, а также химического старения и других явлений. При кратковременном приложении напряжения (например, импульсного) вероятность теплового пробоя мала даже при сравнительно большой проводимости, так как образец не успевает прогреться.

Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается с ростом толщины диэлектрика вследствие увеличения его неоднородности и ухудшения теплоотдачи.

В диэлектриках, длительно находящихся в электрическом поле, может происходить электрохимический пробой вследствие электролиза, ионизации газовых включений и т.д. Эти процессы приводят к химическому старению диэлектрика. Конечной стадией электрохимического пробоя чаще всего является тепловой пробой.

Наибольшей электрической прочностью обладают твердые диэлектрики, однородные по структуре, имеющие низкую электрическую проводимость, повышенные теплопроводность и нагревостойкость (пленочные фторопласт-4, полиэтилен, лавсан, слюда и т.д.). Е_пр таких материалов достигает 100–300 МВ/м.

Пробой жидкостей

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты.

Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля  происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно  100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде, с меньшей длиной свободного пробега λ накопил энергию, достаточную для ионизации.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примеси. Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т. е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкостей в сильных полях, особенно высокой частоты , происходит ее нагрев и образование пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате пробой жидкости происходит в неоднородном поле, а это приводит к снижению ее электрической прочности.

Резкое снижение Е_пр имеет место и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля. В случае сухих волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на Е_пр жидкости.

Наиболее  часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является вода, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях.

Большое внимание уделяется очистке гигроскопичных жидких диэлектриков от воды, снижающей Е_пр. Неочищенное трансформаторное масло, например, имеет Е_пр = 4 МВ/м, после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20–25 МВ/м.

Пробой газообразных диэлектриков

Газообразные диэлектрики широко применяются в газонаполненных и вакуумных конденсаторах. Воздух является хорошим изолятором, но только в слабых полях. Электрическая прочность газообразных диэлектриков не превышает 2–3 МВ/м. Процесс пробоя обусловлен лавинным умножением электронов под действием ударной ионизации и фотоионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1см³ воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20 [2]. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою в достаточно сильном поле.

При увеличении напряженности электрического поля Е электроны на длине свободного пробега λ приобретают энергию W=e λ E, достаточную для ионизации молекул газа: W≥ W_u (W_u - энергия ионизации, е - заряд электрона). Энергия ионизации – это наименьшая энергия, которую нужно затратить для отрыва одного электрона от нейтральной молекулы (атома). В результате при столкновении с молекулами и атомами «первичные» электроны порождают новые электроны. «Вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается. Электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактного облачка, называемого электронной лавиной.

Известны два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

При лавинном механизме ударная ионизация электронами сопровождается вторичными процессами на катоде, в результате которых заряды в газовом промежутке восполняются. Пробой газа сопровождается образованием серии лавин, причем каждая вновь образующаяся лавина по сравнению с предыдущей содержит большее число электронов - происходит «раскачивание» электронных лавин. Лавинный пробой, как правило, развивается в течение относительно длительного времени (более 1 мкс) и не характерен для импульсных напряжений.

При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа.

В некоторых случаях электрон, ускоренный электрическим полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденное состояние: электрон, находящийся внутри молекулы, переходит из равновесного состояния с меньшей энергией в состояние с более высокой энергией (на более удаленную от ядра орбиту). Такая возбужденная молекула в следующий момент (за 10^-7 с) отдает свою избыточную энергию в форме излучения - испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной концентрацией носителей заряда, которая достаточна для преобразования лавины в стример [3].

На рис. 2.13 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На рис. 2.13 лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и, таким образом, лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов,  направляющихся к катоду.

Ещё посмотрите лекцию "2 Задачи уголовного процесса и их соотношение с доказательственным правом" по этой теме.

Волнистые линии исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотоны. Двигаясь со скоростью 3·10⁸ м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ (рис. 2.13), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т.  е.  стример,   распространяется  на длину большой стрелки CD.

Рис. 2.13. Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа [3]

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг другу, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10¹² ионам в 1 см³), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера  и,  в-третьих,   вследствие  ионизации   концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается, насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10^-7–10^-8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

Электрическая прочность газов уменьшается с ростом расстояния между электродами, имеет немонотонную зависимость от давления с минимумом, соответствующим давлению, близкому к атмосферному [2].