Электрический пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках, как и в газах, электрический пробой связан с ускорением электронов под воздействием электрического поля. В твердом теле электроны частично связаны с индивидуальными атомами, а частично с группами атомов. Наиболее слабо электроны связаны с атомами в местах структурной неоднородности материала. В диэлектриках имеются также свободные электроны или электроны проводимости, однако число их при обычных температурах невелико. Показателем числа свободных электронов является ток проводимости (или сопротивление изоляции) при постоянном напряжении.

Рис. 4.1 – Зависимости энергии, накопленной электроном (кривая А)и передаваемой решетке (кривая В), от температуры электронного газа T_э при разных напряженностях поля Е.

Мерой хаотического движения электронов проводимости является температура электронного «газа» Т_э. С повышением температуры Т_э и напряженности электрического поля E энергия электронов проводимости W возрастает, как это показано кривыми А на рис. 4.1. С повышением температуры Т_э растет также энергия, передаваемая электроном кристаллической решетке диэлектрика и рассеиваемая в его толще (кривая В). Равновесное состояние характеризуется пересечением кривых А и В вточках 1 и 2. При напряженности внешнего поля Е_пр, которому соответствует касание кривых А и В, происходит нарушение равновесия; возникает непрерывный рост электронной температуры, что приводит к пробою диэлектрика. Критическая напряженность Е_пр является электрической прочностью диэлектриков. Таким образом, электрический пробой твердых диэлектриков есть проявление температурной неустойчивости на электронном уровне.

Приведенная физическая картина пробоя твердых диэлектриков следует теории Фрелиха – теории, в настоящее время общепризнанной, хотя и не раскрывающей всех сторон явления пробоя. Строгое изложение теории Фрелиха основывается на квантовомеханических закономерностях.

С повышением температуры диэлектрика Т_о кривая В сдвигается вправо и напряженность Е_пр должна снижаться. Такая зависимость действительно наблюдается для технических твердых диэлектриков.

Поэтому электрическая прочность диэлектриков часто проверяется во всем диапазоне рабочих температур.

По изложенной теории также следует, что можно ожидать повышения электрической прочности диэлектриков при устранении дефектов их структуры. Опыт показал, что микроскопические дефекты, от которых трудно освободить материал, незначительно влияют на электрическую прочность, если только основная структура материала сохраняется. Такой материал является технически чистым. Макроскопические дефекты сильно снижают электрическую прочность диэлектриков.

Электрическая прочность твердых диэлектриков почти не зависит от толщины образца, т. е. пробивное напряжение растет пропорционально толще диэлектрика. Отступление от этой закономерности наблюдается только при очень тонкослойных диэлектриках, порядка микрон; при таких толщинах электрическая прочность Е_пр резко возрастает.

Рис. 4.2 – Осциллограммы напряжения при последовательном пробое кабельной бумаги.

Резкое возрастание Е_пр в тонких слоях заманчиво использовать для создания высокопрочной изоляции, состоящей из тонких слоев. Такая тонкослойная изоляция предлагалась в прошлом академиком А. Ф. Иоффе. Однако из-за технологических трудностей выполнения однородных тонких слоев высокой чистоты эта идея была на долгие годы оставлена. Но в настоящее время в связи с развитием нанотехнологий идея А. Ф. Иоффе вновь стала привлекать внимание исследователей.

В неоднородном поле условия электрического пробоя выполняются прежде всего у электрода с большей кривизной, с которого начинается прорастание разрядного канала. Канал переносит высокие напряженности поля в глубь промежутка, в результате чего происходит прорастание канала, завершающееся пробоем изоляции. Аналогично газовым промежуткам в твердой изоляции действует барьерный эффект из тонких высокопрочных пленок, заложенных в материал вблизи электрода с большей крутизной (этот эффект был открыт в ТПИ Д. Д. Румянцевым и Н. М. Торбиным).

Характерной особенностью электрического импульсного пробоя твердой изоляции является возможность частичных разрядов, приводящих к необратимым частичным разрушениям материала и постепенному снижению электрической прочности изоляции. Осциллограммы последовательного пробоя изоляции (кабельной бумаги) показаны на рис. 4.2. Первый импульс вызвал частичный пробой, обнаруживаемый по излому кривой напряжения вблизи амплитуды. Второй импульс усилил этот излом. Третий импульс привел почти к полному срезу напряжения. Пробой достиг завершающей стадии и четвертый импульс дал только незначительный подъем напряжения на образце. Явление пробоя изоляции под действием ряда импульсов названо кумулятивным эффектом. Кумулятивный эффект имеет важное значение при импульсных испытаниях высоковольтного оборудования.