Пробой твердых диэлектриков.

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков зависит как от свойств диэлектрика, так и от внешних факторов, и может быть различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем: нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т. д. Различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический, ионизационный.

5.7.1 Электрический пробой – это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Этот вид пробоя характерен для однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Он протекает за время не более 10^-7…10^-8 с, не обусловлен тепловой энергией, хотя величина электрической прочности при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, за счет возбуждения упругих колебаний кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов, и стационарное состояние нарушается, то есть возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.

Этот вид пробоя имеет место, когда исключено влияние проводимости и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивное напряжение при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества как такового. В этом случае Е _пр достигает более 10⁵ МВ/см. При этом виде пробоя величина электрической прочности в однородном электрическом поле от толщины не зависит (рис. 5.10) и незначительно снижается при повышении температуры (рис. 5.11).

 

 

                    Рис 5.10 Зависимость Е _пр твердого        Рис 5.11 Зависимость Е _пр твердого    

            диэлектрика от его толщины                     диэлектрика от температуры

                   (электрический пробой)                             (электрический пробой)

 

5.7.2 Электротепловой (тепловой) пробой – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Величина пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала с точки зрения электрической прочности. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др.

Кроме того, тепловое пробивное напряжение U _пр зависит от теплостойкости материала. Органические диэлектрики (например, полиэтилен, полистирол), при прочих равных условиях, имеют более низкую электрическую прочность при электротепловом пробое, чем неорганические (кварц, керамика) вследствие малой теплостойкости.

Мощность, выделяющаяся в образце диэлектрика вследствие диэлектрических потерь Р _д, будет определяться по формуле (4.7).

Тепловая мощность, отводимая от образца (мощность теплоотдачи), пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур образца Т и окружающей среды Т _о:

 

P _т = σ S (T – T _о),                               (5.5)

где σ– коэффициент теплоотдачи.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графиком, показанным на рис. 5.12.

Изначально диэлектрик, не находящийся в электрическом поле имеет температуру окружающей среды Т _о. Если на него подать напряжение U ₁, в нем появляются диэлектрические потери Р _д, которые превышают мощность теплоотдачи Р _т и температура диэлектрика начнет увеличиваться. Рост температуры продолжается до значения Т ₁ при которой наступит баланс выделяемой и отводимой мощности Р_д = Р_т.

Температура Т ₁ соответствует состоянию устойчивого теплового равновесия: если бы по каким-либо причинам температура диэлектрика хотя бы немного превысит значение Т ₁ отводимая мощность Р_т окажется больше мощности тепловыделения Р_д и образец самопроизвольно возвратиться в устойчивое состояние (к температуре Т ₁).

 

 

Рис 5.12 Зависимость мощности, выделяемой в диэлектрике Р_д и

отводимой мощности Р_т от температуры

 

Температура Т ₁^' соответствует состоянию неустойчивого теплового равновесия: даже при ее незначительном превышении диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к его разрушению (плавлению, сгоранию и т.п.).

Если увеличить подаваемое на диэлектрик напряжение до такого значения U ₂, при котором пря­мая теплоотдачи Р _т окажется касательной к кривой тепловыделения Р _д, в тепловом режиме диэлектрика окажется возможным только неустойчивое тепловое равновесие (Т ₂). При значении приложенного напряжения большем U ₂ никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлект­рика.

Таким образом, напряжение U ₂ при котором имеет место не­устойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя U _пр.

В общем случае тепловой пробой - более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем приле­гающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам на­пряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопро­водность материала электродов.

При тепловом пробое электрическая прочность диэлектрика с увеличением толщины снижается (рис. 5.13). Это обусловлено ухудшением условий теплоотвода из «глубинных» слоёв диэлектрика за счёт низкой теплопроводности.

С увеличением температуры окружающей среды, величина электрической прочности твёрдых диэлектриков при электротепловом пробое будет снижаться за счёт ухудшения условий теплоотдачи в окружающую среду (рис. 5.14).

 

 

                    Рис 5.13 Зависимость Е _пр твердого        Рис 5.14 Зависимость Е _пр твердого    

            диэлектрика от его толщины                     диэлектрика от температуры

                        (тепловой пробой)                                       (тепловой пробой)

 

5.7.3 Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха и обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение, триингообразование) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т. п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей мере при переменном напряжении. Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, по­скольку он связан с явлением электропроводности. Его характеристикой является время жизни электрической изоляции (промежуток времени от момента подачи напряжения до пробоя).

5.7.4 Ионизационный пробой - это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях поля в воздушных включениях возникает самостоятельная ионизация воздуха (протекают электронные лавины) (рис. 5.15). Свободные заряды (электроны и ионы) полученные при прохождении лавин накапливаются на противоположных стенка включения (заряжают воздушное включение). Каждая новая лавина увеличивает заряд воздушного включения. Как только воздушное включение накопит достаточный для преодоления сил внешнего поля заряд, электроны и ионы устремятся друг к другу и рекомбинируют (частичный разряд). Затем процесс повторяется.

 

                                          а)                                  б) 

Рис 5.15 Схема формирования частичного разряда в газовом включении:

а) электронная лавина в газовом включении;

б) накопление зарядов на стенках включения.

 

Протекание частичных разрядов в газовых включениях приводит к выделению тепловой и световой энергии, образованию озона (окисляет «здоровую» изоляцию стенок). Ускоренные ионы бомбардируют стенки включения вызывая их дополнительный разогрев. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Е _пр.

 

5.7.5 Поверхностный пробой - это пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции, называемый также поверхностным перекрытием. Так как Е _пр жидкостей и особенно газов ниже Е _пр твердых диэлектриков, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой в первую очередь будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. И хотя, формально, твердый диэлектрик при поверхностном пробое не пробивается, на его поверхности образуются проводящие следы («треки»), снижающие изоляционные свойства диэлектрика.

Чтобы не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика. Поверхностное U _пр также повышают путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.

5.7.6 Тепловые свойства диэлектриков

Помимо электрических характеристик к важнейшим свойствам диэлектриков относятся тепловые: нагревостойкость и холодостойкость.

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагревостойкости, которая обычно определяется нагревостойкостью электрической изоляции, позволяет получить более высокую мощность при неизменных габаритах или же при сохра­нении мощности достичь уменьшения габаритных размеров и стои­мости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрообору­дования и других передвижных устройств, где, в первую очередь, необходимо уменьшить массу и габаритные размеры. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопас­ности и взрывобезопасности (масляные хозяйства электрических под­станций, электрооборудование для нефтяной и угольной промышлен­ности и др.). Наконец, в электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устрой­ствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости (табл. 5.1).

 

 

Таблица 5.1 Классы нагревостойкости диэлектриков.

Класс нагревостойкости	Рабочая температура, оС	Пример материалов
Y	90	непропитанные и непогруженные в жидкий диэлектрик волокнистые материалы на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, гидратцеллюлозное и ацетилцеллюлозное волокно), натуральный шелк и полиамид, а также поливинилхлорид, полиэтилен низкой плотности и вулканизированный натуральный каучук.
А	105	те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными, масляно-смоляными и другими лаками либо погруженные в нефтяное масло или синтетический жидкий диэлектрик, а также изоляция эмалированных проводов на поливинилацеталевых лаках и полиамидные пленки, теплостойкий поливинилхлорид.
Е	120	Слоистые пластики с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит), полиэтилентерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на полиурегановых и эпоксидных лаках, полиэтилен высокой плотности и т. д.
В	130	неорганические материалы: слюда, стекловолокно и асбест в сочетании со связующими и пропитывающими органическими составами соответствующей нагревостойкости, а также эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями политрифторхлорэтилен, блоксополимер этилена с пропиленом и др.
F	155	материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами, а также изоляция эмалированных проводов на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках.
H	180	материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, а также кремнийорганические эластомеры
С	>180	неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих или с неорганическими связующими, политетрафторэтилен (фторопласт-4) и полиимидные материалы.

Холодостойкость. Во многих случаях для изоляции, например, самолетного электро- и радиооборудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т. п. важна холодостойкость, то есть способность электрической изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах, например (-60…–70 ° С) и более низких (криогенных) температурах. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает соответствующие затруднения. Проверку электроизоляционных материалов и изделий из них на холодостойкость нередко осуществляют при одновременном воздействии вибраций.

ПРОВОДНИКИ

Общие положения.

 

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях – газы.

Твердыми проводниками являются металлы и их сплавы, а также некоторые модификации углерода. Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Следовательно, металлы в твердом и жидком состоянии обладают электронной электропроводностью и называются проводниками I рода.

К жидким проводникам относят расплавленные металлы, а также водные растворы солей, кислот, щелочей (электролиты). Механизм прохождения тока через электролиты обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов. Следовательно, электролиты обладают ионной электропроводностью и называются проводниками II рода. Прохождение тока через них связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменя­ется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе и пары металлов. Газы при сравнительно низких температурах и достаточно малых значениях напряженности электрического поля являются хорошими диэлектриками. Однако при очень высоких температурах и при высоких напряженностях электрического поля в газах начинаются ионизационные процессы, и газ переходит в особую проводящую среду - плазму. В этом случае газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью.

С точки зрения использования в технике, наибольший интерес представляют электронные (металлические) проводники. Металлические проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электро- и радиотехнике. Из металлических проводниковых материалов могут быть выде­лены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротив­ление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм∙м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электриче­ских машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электро­нагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы – сверхпроводники.