Электрический пробой

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием: протекает за время не более 10^-7 –10^-8 с. Данный вид пробоя не обусловлен выделением тепловой энергии, хотя электрическая прочность при электрическом пробое незначительно зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале (рис.34).

Рис.34. Зависимость электрической прочности электротехнического фарфора от температуры: А – область электрического пробоя; В – область теплового пробоя.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом диэлектрике создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию элементарным частицам (молекулам, ионам) в узлах решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению диэлектрика.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

На механизм пробоя твердых диэлектриков влияет однородность структуры материала. К неоднородным относятся диэлектрики, имеющие пористую структуру, т.е. содержащие газовые включения. Для однородных диэлектриков наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном электрических полях (рис.35).

Рис.35. Зависимость пробивного напряжения однородного

диэлектрика (технического стекла) от толщины: 1 – однородное электрическое поле;2 – неоднородное электрическое поле.

Это объясняется тем, что в однородном поле происходит пробой диэлектрика в самом слабом месте диэлектрика (например, в месте имеющегося дефекта структуры), а в неоднородном электрическом поле – в точке с максимальной напряженностью поля.

Пробивные напряжения неоднородных диэлектриков, находящихся во внешнем однородном и неоднородном электрических полях невысоки и мало отличаются друг от друга (рис.36). Как правило, в однородном электрическом поле электрическая прочность диэлектрика больше, чем в неоднородном. Электрическая прочность неоднородного диэлектрика в неоднородном электрическом поле может оказаться больше, чем в однородном, если в месте с максимальной напряженностью электрического поля окажется наименьшее количество газовых включений.

Рис.36. Зависимость пробивного напряжения неоднородного диэлектрика (электротехнического фарфора) от толщины:

1 – однородное электрическое поле; 2 – неоднородное электрическое.

Для однородных диэлектриков электрическая прочность практически не зависит от их толщины: ее незначительное снижение при большой толщине может наблюдаться только при наличии дефектов структуры. Для неоднородных диэлектриков с увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры (возрастает число газовых включений) и снижается электрическая прочность, как в однородном, так и в неоднородном электрических полях.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках (100 кВ/мм) близки к пробивным для объемных образцов.

Пробивное напряжение зависит и от площади электродов: чем больше площадь электродов, тем меньше напряжение пробоя. Это объясняется тем, что в неоднородных диэлектриках увеличивается число газовых включений, попадающих в электрическое поле, а в однородных – увеличивается вероятность попадания в поле дефектов структуры.

При определённой электрической прочности твёрдого диэлектрика может произойти пробой по поверхности диэлектрика – перекрытие образца, т.е. поверхностный пробой. В этом случае пробиваются воздух или жидкость, окружающие образец твёрдого диэлектрика, а поверхность твёрдого диэлектрика повреждается. Повреждение, связанное с образованием проводящих следов (треков) на поверхности твердого диэлектрика называется трекингом. Напряжение поверхностного пробоя зависит от свойств диэлектрика, формы образца и электродов, закономерностей пробоя окружающей среды.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение электрической изоляции должно быть меньше в несколько раз пробивного напряжения (U_раб<U_пр).

Коэффициент запаса электрической прочности равен:

(35)

Значение U_пр зависит от времени приложения напряжения: при кратковременных импульсах пробой происходит при больших значениях U_пр, чем при воздействии длительного или постоянно приложенного переменного напряжения.

Электрическая изоляция характеризуется сроком службы. Если на диэлектрик продолжительное время воздействует электрическое поле высокой напряжённости, то это приводит к необратимым процессам, в результате которых снижается U_пр, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Кривая зависимости U_пр от времени приложения напряжения называется кривой жизни электрической изоляции (рис.37).

Рис.37. Кривая жизни изоляции

Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала: органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле. Для возникновения теплового пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь одно место диэлектрика, где теплоотдача хуже или повышены удельные диэлектрические потери. При этом средняя температура всего объёма диэлектрика мало отличается от температуры, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения. Для того, чтобы температура диэлектрика не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение диэлектрика, необходимо правильно установить допустимое напряжение. При переменном напряжении диэлектрические потери рассчитываются по формуле (25).

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности. Отводимая мощность рассчитывается по формуле

, (36)

где γ – коэффициент теплопроводности Вт/(м²⋅К), S–площадь теплоотвода, t и t_о – соответственно температуры образца и окружающей среды.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощности диэлектрических потерь и рассеиваемой мощности с поверхности диэлектрика: P_а=P_Т.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рис.38, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения P_а = f(Т) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи P_T = f(Т).

Рис.38. Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое

При значении приложенного напряжения U₁ прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры Т₁, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если по каким-то причинам (например, при увеличении напряжения) температура хотя бы немного превысит значение Т₁, то образец самопроизвольно через некоторое время возвратиться в состояние устойчивого теплового равновесия, т.к. зависимость отводимой мощности лежит выше зависимости мощности диэлектрических потерь. Следовательно, напряжение U₁ не будет опасным для диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры Т₁ не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. При увеличении напряжения до значения U прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре Т. При значении приложенного напряжения U₂ теплового равновесия не возникнет, поэтому температура будет нарастать безгранично до теплового разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение U₁, при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя U_пр.

Согласно условию теплового равновесия:

(37)

допустимое значение напряжения рассчитывается по формуле

(38)

При тепловом пробое U_пр зависит от частоты приложенного напряжения, температуры окружающей среды (начальной рабочей температуры диэлектрика), площади электрода и от его свойств: теплопроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. С увеличением частоты приложенного напряжения и температуры пробивное напряжение уменьшается. Тепловой пробой развивается в течение 10^-3–10^-2 с, т.е. во много раз медленнее электрического пробоя.

В реальных условиях явление теплового пробоя протекает сложнее, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика имеется перепад температуры: средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.