Различные виды электрического пробоя диэлектриков

В связи с широким распространением в технике полимерной изо­ляции для надежной эксплуатации изделий необходимо обеспече­

ние ее достаточной электрической прочности Е (величиной, числен­но равной напряженности однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика). В результате воздейст­вия повышенного "напряжения наступает пробой диэлектрика, т. е. происходит разрушение его структуры. В своем развитии процесс пробоя диэлектриковхцроходит стадии потери электрической проч­ности (подготовительную) и разрушения (завершающую).

Различают три форм1 разрушения твердых диэлектриков: теп­ловую, электрохимическую и электрическую.

Механизм теплового прЪбоя сводится к тому, что при протека­нии тока повышается температура диэлектрика, проводимость его возрастает, что приводит к увеличению количества выделяемой теп­лоты. В результате происходит разогрев диэлектрика, который мо­жет завершаться его сплавлением и прожиганием. Нагревание ди­электрика протекает тем быстрее, чем выше температура окружа­ющей среды. Тепловой пробой наступает как следствие протекания сравнительно медленных процессов (теплоотдача, нагревание).

При изучении особенностей теплового пробоя важно знать зна­чение напряжения, выше которого тепловое равновесие диэлектри­ка с окружающей средой уже не может быть достигнуто. Обобщен­ная теория теплового пробоя диэлектриков, учитывающая несим­метричные условия охлаждения и тепловыделения в электродах, а также изменение удельной активной проводимости по толщине об­разца, была развита в работе [76]. Для пробивного напряжения данная теория дает выражение вида

ип,= 2УЩ^)Р, (7.34)

где К и а — соответственно коэффициенты теплопроводности и температуропроводности диэлектрика; о — удельная электропро­водность диэлектрика; F — сложная функция параметров, харак­теризующих условия охлаждения со стороны каждого из двух элек­тродов, а также параметров, зависящих от потока теплоты (теку­щей от одного электрода к другому) и от степени неоднородности диэлектрика по значению удельного сопротивления.

Электрический пробой, связанный с процессами «электрическо­го старения» диэлектрика, происходит в результате изменений его химического состава и структуры под действием электрических раз­рядов в окружающей среде или внешнего электрического поля. Процессы «электрического старения» хотя и протекают сравнитель­но медленно, но могут реализоваться при напряжениях, значитель­но меньших пробивного (следовательно, для техники борьба с ними имеет не меньшее значение).

Повышение температуры и напряжения приводит к интенсифи­кации этих процессов. Процессы «электрического старения» описы­ваются теорией разрядов в газовых включениях диэлектриков. Со­гласно этой теории, в постоянном электрическом поле частота сле­дования разрядов выражается соотношением

n = aFlFb (7.35)

где о — удельная электропроводность; Fx— функнйя параметров/, зависящих от диэлектрических проницаемостей диэлектрика и га­зового включения, а также толщин твердого диэлектрика и газовой прослойки; F2 *— функция, зависящая от напряжения, при котором происходит пробой газовых включений, и от/Напряжения погаса­ния разряда. N /

В переменном электрическом поле, характеризующемся часто­той v, У

n = 4vF3y {‘ (7.36>

где Ръ — сложная функция емкости диэлектрика, расположенного между газовым включением и электродом, емкости газового вклю­чения и емкости остальной части диэлектрика, амплитуды прило­женного напряжения, напряжения пробоя газовых включений, на­пряжения погасания разряда и амплитуды приложенного напряже­ния.

Из соотношения (7.31) с учетом формулы (7.34) следует, что в< постоянном электрическом поле п экспоненциально зависит от тем­пературы. В то же время, как видно из (7.36), в переменном поле п. пропорционально частоте v и от температуры практически не за­висит.

Электрический пробой совершается в доли микросекунды и обус­ловливается процессами в диэлектрике, не связанными с заметными, предварительными изменениями его структуры. При этой форме: пробоя разрушение диэлектрика наступает при достижении неко­торой предельной напряженности электрического поля, которая: практически не зависит от времени приложения напряжения. Со­гласно гипотезе об электронной природе электрической формы про­боя твердых диэлектриков, энергия электрического поля передает­ся диэлектрику в результате взаимодействия с элементами его? структуры ускоренных электронов и затрачивается на преодоление' связи между ними.

Теория электрического пробоя диэлектриков, развитая Фрели - хом, исходит из того, что в основе процесса лежит ударная иониза­ция электронами. Справедливость этого подтверждается сравни­тельно малым отличием электрической прочности весьма разных по свойствам диэлектриков (в том числе аморфных и кристаллических: полимеров). При значительном возрастании напряженности элек­трического поля, ускоряемые им электроны передают избыточную энергию связанным электронам, которые, интенсивно переходя в зону проводимости, взаимодействуют с атомами вещества, изменяя структуру твердого диэлектрика и вызывая развитие его электри­ческого пробоя. Согласно теории электрического пробоя диэлектри­ков, напряженность поля, при которой происходит пробой, должна экспоненциально уменьшаться с повышением температуры диэлек­трика:

£пр=^с exp LE/(2kT)]y (7.37):

где АЕ — изменение энергии между дном зоны проводимости и се-

рединой зоны, содержащей уровни, на которых находятся возбуж­денные электроныдЭлектрический пробой завершается механичес­ким разрушением диэлектрика.

Оставить комментарий