Пробой твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3. тепловой (электротепловой) пробой;

4. электрохимический пробой.

 

Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в чвстности хакрытых пор, от условий охлаждения, время воздействия напряжения.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков -

характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньше 10-7 – 10-8с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твкрдом теле создается электронная лавина – возникает ударная ионизация.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Для однородного поля и полной однородности структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества.

Для однородных материалов наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков – характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения, и так же, как и электрический пробой однородного диэлектрика, весьма быстро развивается.

Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, находящихся во внешнем однородном или неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает число газовых включений и снижаются электрические прочности как в однородном, так и в неоднородном поле.

Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности керамических материалов вследствие уменьшения числа инородных включений, попадающих в пределы поля. Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается не только у керамики, но и у других материалов: бумаги, картона, лакотканей.

Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика).

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений.

Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, повышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды.

Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности.

Рис Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое.

Температура по всему обьему материала, находящемуся в электрическом поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).

В общем случае тепловой пробой – более сложное явление, чем было рассмотрено, важную роль играет теплопроводность материала электродов.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей оксиды металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из оксидов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих органических материалов. Электрохимический пробой во многом зависит от материала электродов.

Таким образом, электрический пробой (электронный пробой), протекающий за 10^-8 — 10^-5с, обусловлен ударной ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами. Электрическая прочность при электрическом пробое воздушных промежутков при нормальных условиях составляет 3∙106 В/м, тщательно очищенных жидкостей достигает 108 В/м, твердых диэлектриков (монокристаллов) -109 В/м.

Электротепловой пробой (тепловой пробой) обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь в местах наихудшего теплоотвода образца (изделия). Такой пробой развивается за 10-3 — 102 с, Eпр здесь достигает 107 В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под воздействием электрического поля и (или) разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 103 — 108 с и называется временем жизни диэлектрика tж. С увеличением температуры и напряженности электрического поля тж, как правило, уменьшается. Такой пробой развивается в полях, значительно меньших, чем Епр диэлектрика. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды (ЧР).

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы диэлектрика и условий определения Епр или эксплуатации. При испытаниях на импульсах длительностью 10^-8 — 10^-5 с в условиях отсутствия разрядов у краев электродов происходит электрический пробой. Если s такого диэлектрика велика и резко зависит от температуры, то при выдержке этого же образца под напряжением в течение 10^-3 — 10^-2 с в нем развивается тепловой пробой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, при которых в диэлектрике происходят ЧР или другие процессы, обусловливающие старение, наблюдается электрохимический пробой.

Значения напряжений пробоя и Е определяют согласно ГОСТ 6433.3-71.

 

Старение керамических материалов

Под старением керамических материалов и стекол обычно подразумевается снижение их электрофизических характеристик, главным образом электрической прочности, при воздействии электрических полей. Величина снижения электрической прочности связывается с количеством прошедшего через образец электричества. Увеличения тока через образец можно достигнуть либо повышением температуры, либо повышением приложенного к образцу напряжения. Однако, увеличение этих параметров должно производиться в таких пределах, чтобы характер проводимости не изменился, т.е. механизм ускоренного старения остался таким же, как и в эксплуатационных условиях.

В фарфоре электропроводность в широком интервале не зависит от температуры и осуществляется за счет ионов щелочных металлов, главным образом натрия.

Величина напряжения при старении выбирается таким образом, чтобы к диэлектрику был применен закон Ома. Выход за область действия закона Ома сопряжен с изменением характера проводимости.

Важное значение при обосновании методики старения керамики имеет правильный выбор электродов.

Старение (фарфора) заключается в длительном пропускании через образцы постоянного тока, величина которого фиксировалась через определенные промежутки времени. При длительном действии постоянного электрического поля происходит уменьшение электрической прочности фарфора.

Снижение электрической прочности фарфоровых материалов можно объяснить тем, что при длительном прохождении электрического тока через фарфоровые материалы, обладающие электрической проводимостью, в процессе воздействия на них высокого постоянного напряжения один из приэлектродных слоев объединяется носителями тока и его сопротивление возрастает. Все напряжение оказывается приложенным к тонкому приэлектродному слою, объединенному ионами проводимости, что приводит его к пробою. Это вызывает в свою очередь уменьшение общей активной толщины диэлектрика и, следовательно, общее снижение его электрической прочности.

При совпадении направлений полей «старения» и пробоя э.д.с. высоковольтной поляризации частично компенсирует внешнее напряжение и для пробоя образца потребуется приложить большее напряжение. Более правильное представление о процессах, протекающих при старении фарфора можно получить при учете диффузии. Длительное прохождение тока через образец фарфора, обладающий в основном ионной проводимостью, приводит к образованию концентрации окислов элементов, за счет которых осуществляется проводимость. Так как в фарфоре это ионы щелочных металлов, как правило в основном натрия, то электролиз приводит к обесщелачиванию приэлектродных частей образца с одной стороны и выделению окислов на другом электроде.

Главное отличие исследуемых на «старение» материалов заключается в химическом составе их стекловидной фазы, ей принадлежит решающая роль.

При обеднении прианодного слоя в процессе старения ионами натрия градиент концентрации служащий основной движущей силой диффузии хотя диффузионные явления не должны существенно сказываться на электрической прочности диэлектрика. Высокое сопротивление фарфора, в котором окись натрия замещена в эквимолекулярных количествах окисью кальция, объясняется тем, что двухвалентный ион кальция в отличие от одновалентных не создает разрывов в сетке стекла. Таким образом, эта замена создает упрочнение стеклофазы фарфора и приводит к повышению его электрофизических свойств. Вместе с тем уход иона кальция при электролизе создает разрывы в сетке стеклофазы и снижение электрической прочности. При сошлифовывании отформованного прианодного слоя разница в электрической прочности при пробое напряжениями разных направлений в фарфлое, что говорит за то, что диффузионная э.д.с. возникает на границе отформованного слоя.

При изучении старения керамики при переменном напряжении высокой частоты была установлена важная роль ионизации в порах.
также изучалось влияние этих процессов на старение при постоянном напряжении.

Нейтрализация оседающих на стенках пор заряженных частиц может проходить с помощью тока обьемной проводимости и тока поверхностной проводимости – по стенкам пор. Ионизационные процессы в порах керамических образцов при постоянном напряжении, как правило, происходит быстро и поэтому мало заметны. Роль ионизационных процессов возрастает, если проводимость стенок пор заметно увеличивается, происходит разогрев стенок, нагревание заметно усиливается, вызывая увеличение проводимости.

Конденсаторные материалы на основе соединений титана в полях постоянного тока имеют тенденцию к старению. В процессе старения рутиловой керамики при определенных постоянных температуре и напряжении величина тока проводимости непрерывно растет, и в конечном итоге наступает пробой. При периодической смене полярности постоянного тока свойства рутиловой керамики восстанавливаются и старение не наблюдается. Восстановление свойств конденсаторных материалов при перемене полярности поля старения сопровождается уменьшением электропроводности.

Рутиловая керамика обладает электронной проводимостью, и ее старение описывается как результат образования под действием внешнего поля парных дефектов. Парный дефект: ион в междоузлии – анионная вакансия. При отсутствии поля или в поле обратной полярности происходит рекомбинация дефектов и регенерация электроизоляционных свойств.

Таким образом, если электропроводность керамики носит электролитический характер, то старение объясняется электрофизическими процессами и является необратимым. При электронной проводимости старение носит обратимый характер и возможно восстановление исходных свойств путем перемены полярности или отжига.

Важное значение имеют электролитические процессы в старении глазури, которая является непременной составляющей частью электроизоляторов. Наличие электродных потенциалов между окисламия. Входящими в состав глазури, может вызвать ее коррозию даже при отсутствии внешнего поля. При приложении переменного поля коррозия ускоряется и особенно интенсивно идет в увлажненной атмосфере в поле постоянного напряжения.