Машиностроение и механика

Пробой твердых диэлектриков

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 зави сит 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.