При пробое в твердой изоляции образуется проплавленное, прожженное или пробитое отверстие, и при повторном приложении напряжения по этому месту снова произойдет пробой, но уже при значительно меньшем значении напряжения.
В основе механизма электрического пробоя твердых диэлектриков лежат электронные лавинообразные процессы. Пробой наступает вследствие образования в диэлектрике между электродами плазменного газоразрядного канала, в формировании которого участвуют эмиссионные токи из катода и свободные заряды, образующиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации .
Вокруг прорастающего канала наблюдается свечение прилегающей области, диаметр которой намного больше диаметра канала. В завершающей стадии, когда проводящий канал касается электрода, ток резко возрастает — наступает пробой. Степень разрушения диэлектрика в завершающей стадии зависит не только от природы самого диэлектрика, но и в значительной степени от величины тока в разрядной цепи I кз , т.е. от мощности источника напряжения и сопротивления внешней цепи. В аморфных диэлектриках форма канала неполного пробоя имеет вид извилистой, ветвящейся линии. В кристаллах эти каналы прямолинейны и, как правило, ориентированы в одном из кристаллографических направлений. Завершается пробой механическим или тепловым разрушением, вызванным током короткого замыкания I кз .
При электрическом пробое Епр твердых неорганических, органических, в том числе полимерных, диэлектриков практически не зависит от температуры. Электрическая прочность Епр электротепловом пробое значение ниже, чем при электрическом, и с увеличением температуры уменьшается (рис. 5.17)
Рис. 5.17. Зависимость электрической прочности Епр диэлектриков от температуры: 1 — полистирол;
2 — полиэтилен; 3 — фарфор.
Толщина образцов 1 и 2— 0,01–0,07 мм, напряжение постоянное; толщина образца 3 — 1,5 мм , ƒ = 50 Гц
С увеличением толщины диэлектриков U пр возрастает медленнее, чем их толщина, т.е. зависимость Enp ( h ) носит нелинейный характер (рисунок 5.18). В случае электрической формы пробоя при толщине образцов, равной и менее примерно 10–20 мкм, у неорганических и органических (в том числе полимерных) диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение — резкое возрастание Enp при уменьшении h . При h >10–20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, объемных зарядов и т.п., что практически очень трудно исключить, электрическая прочность не должна изменяться с увеличением толщины образца.
При электротепловой форме пробоя, что часто встречается в практике, нелинейный характер зависимости Enp ( h ) выражен значительно сильнее, чем в случае электрической формы пробоя, и наблюдается во всем интервале толщины, в том числе при h >> 20 мкм, так как с увеличением толщины образца ухудшаются условия теплоотдачи.
Рис. 5.18. Зависимость электрической прочности Епр диэлектриков от толщины h :
1 и 4 — полистирол;
2 — полиметилметакрилат; 3 — полипропилен;
Пробой осуществлен: 1 — на частоте 50 Гц; 2—5 — на фронте одиночных стандартных
В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.
Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации, так называемые частичные разряды. При этом объем включений увеличивается преимущественно вдоль силовых линий поля с образованием полых трубочек. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.
Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.
Электротермический пробой — механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.
Электрическая прочность очень тонких неоднородных образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов, так как возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест. Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, картона, высыхающих лаков) имеет невысокую Епр , если величина частиц неоднородности (например, пор) соизмерима с толщиной изоляции.
При использовании двух слоев изоляции Епр возрастает (рисунок 5.19), так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды,. С увеличением числа слоев изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.
Ри c . 5.19 Зависимость Eпр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически)
Влияние различных факторов на электрическую прочность
Электрическая прочность твердых диэлектриков
В зависимости от времени выдержки под напряжением и температуры пробой может носить электрический, тепловой или электрохимический характер. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ приведена на рис. 22.10. Как видно, Eпртвердых диэлектриков при различных видах пробоя на порядок выше, чем Eпр жидких диэлектриков.
Рис. 22.10. Зависимость электрической прочности твердых диэлектриков от времени выдержки под напряжением τ
Влияние природы диэлектриков
На величину Епр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловом пробое Епр диэлектрика тем ниже, чем больше значения его ε и tgδ и меньше удельное сопротивление ρv (см. формулы 10 и 11).
Электрическая прочность полимерных диэлектриков уменьшается в ряду: неполярные полимеризационные полимеры, полярные полимеризационные полимеры, поликонденсационные полимеры.
Диэлектрики ионного строения в порядке уменьшения Епр могут быть расположены в следующей последовательности: кристаллические с плотной упаковкой ионов, кристаллические с неплотной упаковкой ионов, аморфные.
С увеличением температуры Епр изменяется с характерным изломом (рис. 22.11). При низких температурах Епр не зависит от температуры, здесь пробой носит электрический характер. Выше критической температуры Tкр происходит резкой снижение Епр и отсюда начинается развитие теплового пробоя.
У кристаллизующихся полимеров излом зависимости Епр = f(T) наблюдается при достижении температуры плавления, у аморфных полимеров – при температуре стеклования, а затем при температуре текучести. Это связано с тем, что выше температур фазовых и физических переходов в полимерах увеличивается тепловыделение, обусловленное релаксационными диэлектрическими потерями – возрастает интенсивность дипольно-сегментальной и дипольно-групповой поляризаций.
Для диэлектриков ионного строения (керамика, стекло и др.) излом на кривой Епр = f(T) обусловлен увеличением интенсивности ионно-релаксационной поляризации при тепловым расширении вещества.
При увеличении температуры окружающей среды T0 Епр диэлектрика уменьшается в соответствии с выражениями (10) и (11).
.
Рис. 22.11. Зависимость электрической прочности Епр твердых диэлектриков от температуры Т
Влияние толщины диэлектрика
С увеличением толщины диэлектрика h его электрическая прочность уменьшается (рис. 22.12).
В случае электрической формы пробоя (рис. 12) при толщине образцов h≤10-20 мкм, у неорганических и органических диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение – резкое возрастание Епр при уменьшении h. Причиной электрического упрочнения является уменьшение средней длины пробега электрона λ при уменьшении толщины диэлектрика при h >10 – 20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, в отсутствие объемных зарядов Епр не изменяется с увеличением толщины образца.
.
Рис.22.12. Зависимость электрической прочности Епр твердых диэлектриков от толщины h
При электротепловой форме пробоя Епр уменьшается при увеличении h, так как с увеличением толщины образца уменьшается коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик – электроды в окружающую среду (8) и диэлектрик нагревается до температуры расплавления, обугливания или растрескивания при меньшей напряженности электрического поля. Из (10) и (11) следует, что Епр диэлектрика обратно пропорциональна квадратному корню из его толщины h.
Влияние пористости диэлектрика
Наличие в диэлектрике пор, микротрещин, инородных включений и т.п., имеющих величину относительной диэлектрической проницаемости ε, отличную от ε самого диэлектрика, приводит к увеличению в нем неоднородности электрического поля. В результате на локальных участках диэлектрика возрастает напряженность электрического поля, и пробой наступает при более низком напряжении. Электрическая прочность сильнопористых диэлектриков мало отличается от Епр воздуха. Поэтому для увеличения Епр пористых диэлектриков их пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками, электроизоляционными лаками или компаундами.
Влияние площади электродов
Электрическая прочность очень тонких образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов. Это объясняется тем, что с увеличением площади электродов возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест диэлектрика.
Влияние числа слоев изоляции
Электрическая прочность многослойной изоляции имеет экстремальную зависимость от числа слоев (рис. 22.13). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, высыхающих лаков) имеет невысокую Епр, если размер неоднородностей (например, пор) соизмерим с толщиной изоляции. При использовании двух-трех слоев изоляции Епр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. При дальнейшем увеличении числа слоев изоляции Епр снижается ввиду ухудшения отвода тепла.
| Число слоев тонкослойной изоляции |
Рис.22.13. Зависимость Епр тонкослойной изоляции от числа слоев
Влияние частоты напряжения
При электрической форме пробоя Епр твердых диэлектриков не зависит от частоты приложенного напряжения. Однако при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10 -7 с и менее Епр возрастает. Это связано с уменьшением вероятности образования электронных лавин при малом времени приложения напряжения.
В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Епр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возрастающих диэлектрических потерь в соответствии с выражением (6).
Дата добавления: 2017-01-13 ; Просмотров: 1060 ; Нарушение авторских прав? ;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Электрохимический пробой развивается в результате образования в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, веществ с низкими значениями электрической прочности — продуктов электролиза, окислительно-восстановительных реакций и других процессов. Электрохимический пробой усиливается с повышением температуры и влажности. Способствует ему также гигроскопичность диэлектрика. Время развития этого вида пробоя 10 3 -10 s с.
Ионизационный пробой обусловлен процессами ионизации газовых включений в твердом пористом диэлектрике. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.
Электромеханический пробой характерен для пьезоэлектриков и связан с возникникновением электрического поля в материале под действием механических усилий.
Электрический пробой развивается за очень незначительное время. Поэтому если пробой не произошел в ближайшее время после приложения напряжения, то, вероятно, не следует ожидать пробоя и в дальнейшем. Для развития теплового пробоя требуется накопление в диэлектрике тепла, на что нужно определенное время, тем меньшее, чем выше приложенное к диэлектрику напряжение. Зависимость Unp от времени приложения напряжения представлена на рис. 7.11. Из рисунка видно, что диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряжение, значение которого меньше, чем напряжение Um к которому асимптотически стремится ?/пр при увеличении времени приложения поля.
Рис. 7.11. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения
При повышении температуры происходит переход от электрического пробоя (при Т Гк), как это показано на рис. 7.12. При повышении частоты приложенного напряжения наблюдается аналогичный ход кривой.
Рис. 7.12. Зависимость электрической прочности от температуры
Электрическая прочность Епр диэлектрика при прочих равных условиях ниже в однородном поле (при использовании электродов большой площади), чем в неоднородном (при использовании заостренных электродов с малым радиусом кривизны). Это связано с тем, что в первом случае вероятность попадания дефектных мест диэлектрика (участков с пониженной электрической прочностью) в межэлектродное пространство выше, чем во втором.
Зависимость электрической прочности от толщины диэлектрика обусловлена механизмом пробоя (рис. 7.13). С увеличением толщины облегчается образование электронной лавины (из-за большего числа свободных носителей заряда, каждый из которых может стать инициатором начала лавинного процесса) в случае электрического пробоя и ухудшается отвод тепла — в случае теплового.
Практический интерес представляет изучение электрической прочности многослойного диэлектрика в зависимости от числа слоев (рис. 7.14). Повышение электрической прочности происходит до некоторого критического значения количества слоев лк, которое зависит от природы диэлектрика, его толщины и формы электродов. Увеличение электрической прочности до пк можно объяснить тем, что образование электронной лавины затруднено, так как на границах слоев происходит интенсивное рассеяние электронов и их рекомбинация на ловушках. С дальнейшим ростом числа слоев (> пк) ухудшаются условия теплообмена между внутренними слоями и окружающей средой, и электрическая прочность уменьшается.
Рис. 7.13. Зависимость электрической прочности диэлектрика от толщины h
Рис. 7.14. Зависимость электрической прочности диэлектрика от числа слоев п
Кроме перечисленных воздействий на электрическую прочность значительное влияние оказывает структура материала. В общем случае электрическая прочность кристаллических материалов выше, чем аморфных. Причем для кристаллических материалов она снижается с увеличением числа дефектов, особенно включений других фаз и различных неоднородностей, искажающих электрическое поле. Электрическая прочность плотных материалов выше, чем пористых, так как в последних могут происходить электрохимический и ионизационный виды пробоя.
Неполярные диэлектрики имеют более высокую электрическую прочность по сравнению с полярными. Влажность окружающей среды приводит к снижению электрической прочности электроизоляционных материалов, особенно гидрофильных и пористых.
Значения электрической прочности отдельных твердых диэлектрических материалов в полях переменного тока при частоте 50 Гц приведены в табл. 7.4.
Электрическая прочность некоторых диэлектриков