Пробой диэлектриков Образование в диэлектрике электропроводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, неполным, частичным, поверхностным.
Пробивным напряжением U пр называется минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою. I 0 U пр U Вольтамперная характеристика электрической изоляции:
Отношение U пр к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности. При длительном воздействии электрического поля высокой напряженности происходит электрическое старение изоляции, в результате чего U ПР снижается. Кривую зависимости U ПР от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.
U пр зависит от времени приложения напряжения. При медленном увеличении напряжения, U пр называют статическим пробивным напряжением. При воздействии импульсов – импульсным пробивным напряжением. Отношение импульсного пробивного напряжения диэлектрика к статическому называют коэффициентом импульса, который > 1.
Электрическая прочность – напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою: E ПР = U ПР / h
В поле E, заряженные частицы между двумя соударениями приобретают энергию W = qlE. Если W W и, то возможен пробой, где W и энергия ионизации молекулы газа. Начальная напряженность поля Е НАЧ – значение напряженности, при которой в данном газе ( при данных Р и Т ) начинается ударная ионизация. Пробой газа зависит также от степени однородности электрического поля.
Лавинный механизм пробоя газа – ударная ионизация Лавинный пробой развивается относительно долго, более 1мкс, и не характерен для импульсных напряжений. Лавинно-стримерный пробой, при длине промежутка 1 см, развивается 10 –7 –10 – 8 сек.
Катод A B C D Распространение первичной лавины Распространение стримера Лавинно-стримерный механизм пробоя газа – совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа. Стример – скопление ионизованных частиц, намного превосходящее лавину по степени ионизации. Одновременно с ростом стримера, направленного к аноду, образуется лавинный поток положительно заряженных частиц, направленный к катоду.
Зависимость Е ПР газа от давления Р и расстояния между электродами h в однородном поле: Е ПР 0 Р 1 атм Е ПР, МВ/м h, мм 3 10 100 0,1 0,01 1 f =50 Гц T =20 о С Р =1атм
Эмпирический закон Пашена : если длина разрядного промежутка h и давление газа р изменяются так, что h · р = const, то и U ПР = const. Т.е. U ПР газов является функцией произведения р h.
В неоднородном поле: В местах, где Е достигает критических значений, возникают частичные разряды в виде короны. При возрастании напряжения корона переходит в искровой разряд и дугу. Величина U ПР газа зависит от расстояния между электродами, от полярности электродов и от частоты поля.
Зависимость U ПР воздуха от расстояния между электродами: При положительной полярности на игле, U ПР меньше, чем при обратной полярности. Это объясняется образованием у иглы положительного объемного заряда, содействующего развитию пробоя. U пр.мах кВ 40 80 h, см 0 4 – + – +
В отличие от пробоя газа в однородном поле, в неоднородном поле при высоких частотах U ПР меньше, чем при постоянном напряжении или напряжении технической частоты. При высоких частотах напряжение появления короны, почти совпадает с U ПР. В этом случае U ПР слабо возрастает с увеличением расстояния между электродами.
Зависимость U ПР воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле при разных частотах. 10 50 30 90 110 70 U пр.мах кВ 0 10 20 h, см f =50 Гц f =3.8·10 5 Гц При н.у., постоянном напряжении и расстоянии между электродами 1см электрическая прочность воздуха Е ПР =3МВ/м.
Механизм пробоя и электрическая прочность жидких диэлектриков зависят от чистоты. При кратковременном воздействии, пробой тщательно очищенных жидкостей связан с: ударной ионизацией и холодной эмиссией с катода. Е ПР ~ 100 МВ/м, на 2 порядка выше, чем у газов. В загрязненных и технически чистых жидкостях пробой связан с движением и перераспределением частиц примесей.
Пробой жидкого диэлектрика с эмульгированной влагой ( теория Геманта ). Критерий Геманта : пробой происходит, когда межэлектродное пространство перекрыто каплями на 60 70%. Е
Пробой жидкого диэлектрика с твёрдыми примесями ( теория А.Ф. Вальтера ) Е
Пробой твердых диэлектриков Механизмы пробоя: электрический, электротепловой, электрохимический, ионизационный.
Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика под действием электрического поля Наблюдается в однородных диэлектриках с малым tg δ. Время пробоя < 10 7 10 8 с. Е ПР = 100 1000МВ/м
0 h E пр E пр. max 0 Т E пр Е ПР определяется строением диэлектрика (плотностью упаковки, прочностью связей атомов). Е ПР практически не зависит от внешних факторов: температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца.
Тепловой пробой возникает, когда количество тепла, выделенного в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество рассеиваемого тепла. Нарушение теплового равновесия ведет к разогреву материала, расплавлению, растрескиванию, обугливанию и к разрушению диэлектрика.
Условие теплового равновесия : P п = P p. Мощность, выделяемая в диэлектрике : P п = U 2 ω C tg δ. Тепло, отводимое от образца: P p = k S ( T – T 0 ), k – коэффициент теплоотдачи.
В отличие от электрического пробоя, напряжение теплового пробоя зависит от частоты как f – (1/2). Т.о., U пр снижается на высоких частотах. tg δ соответствует критической температуре Т кр, при которой выполняется P п = P p.
С ростом Т электрическая прочность Е прТ при тепловом пробое уменьшается, т.к. U прТ теплового пробоя снижается за счет роста tg δ и ухудшения теплоотвода. U np Э U np Т U np f kp f T T kp U прТ > U прЭ электрический пробой U прТ < U прЭ тепловой пробой С изменением f или T может изменяться механизм пробоя диэлектрика. f кр (или Т кр ), зависит от свойств диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения напряжения, скважности импульсов.
0 h E пр При увеличении толщины диэлектрика h, U прТ возрастает. Количество выделяемого тепла пропорционально объему диэлектрика, а количество отводимого тепла пропорционально площади теплообмена. Поэтому при увеличении толщины h, нагрев диэлектрика за счет потерь возрастает быстрее, чем отвод тепла. При тепловом пробое электрическая прочность Е прТ с ростом h уменьшается.
Электрохимический пробой наблюдается при длительном приложении напряжения. Под действием Е, Т, кислорода в диэлектрике идет окисление, разрыв связей и другие процессы, приводящие к его старению. Образующиеся низкомолекулярные вещества (щёлочи, кислоты, окислы азота, озон и др.), взаимодействуют с веществом диэлектрика и ускоряют процессы старения. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения. Характеристикой является время жизни электрической изоляции или кривая жизни.
Ионизационный пробой Обусловлен ионизационными процессами из-за частичных разрядов в диэлектрике. Характерен для диэлектриков с воздушными включениями. При больших напряженностях поля в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Эти факторы приводят к разрушению изоляции и снижению Е пр.
Наряду с объемным возможен и поверхностный пробой : пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции. Так как Е пр жидкостей и газов ниже Е пр твердых диэлектриков, то пробой в первую очередь будет происходить по поверхности диэлектрика. Чтобы исключить поверхностный пробой, поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют не металлизированные закраины диэлектрика. Поверхностное U пр также повышают путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Е пр.
Пробой неоднородных диэлектриков
