Влияние различных факторов на электрическую прочность

Твердых диэлектриков

Влияние природы диэлектриков

На величину Е _пр твердых диэлектриков влияют их химический состав и строение. При электротепловом пробое Е _пр диэлектрика тем ниже, чем больше значения его ε и tg δ и меньше удельное сопротивление ρ _v (см. формулы 2.10 и 2.11).

Полимерные диэлектрики в порядке уменьшения Е _пр могут быть разделены на три группы:

1) неполярные полимеризационные полимеры – полиэтилен, полипропилен, полистирол, политетрафторэтилен и др. (ε = 2–2,6; tg δ = 10⁻⁴ ; ρ _v = = 10¹⁴–10¹⁸ Ом ∙ м; Е _пр ≈ до 60 МВ/м при h ≈ 1 мм; Е _пр ≈ до 250 МВ/м при h ≈ 0,02 – 0,1 мм);

2) полярные полимеризационные полимеры – поливинилхлорид, полиимиды, политрифторхлорэтилен и др. (ε = 3–6; tg δ ≈ 10⁻² ; ρ _v = 10¹¹––10¹⁴ Ом ∙ м; Е _пр ≈ до 40 МВ/м при h ≈ 1 мм; Е _пр ≈ до 180 МВ/м при h ≈ 0,02–0,1 мм);

3) поликонденсационные полимеры – фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др. (ε = 3,5–8; tg δ ≈ 10⁻³–10⁻¹; ρ _v = 10⁹–10¹⁴ Ом ∙ м; Е _пр ≈ до 20 МВ/мм при h ≈ 1 мм; Е _пр ≈ до 80 МВ/м при h ≈ 0,02–0,1 мм).

Диэлектрики ионного строения в порядке уменьшения Е _пр могут быть разделены на две группы:

1) кристаллические с плотной упаковкой ионов – кварцевое стекло, боратное стекло, ситаллы и др. (ε = 2,8–3,7; tg δ ≈ 2 ∙ 10⁻⁴ ; ρ _v ≈ 10¹⁵ Ом ∙ м; Е _пр ≈ до 80 МВ/м при h ≈ 1 мм и переменном напряжении; Е _пр ≈ до 500 МВ/м при постоянном напряжении;

2) кристаллические с неплотной упаковкой ионов (электротехнический фарфор, материалы на основе слюды – микалексы, миканиты и др.) и аморфные (неорганическое щелочное стекло и др.); материалы имеют следующие характеристики: ε = 5–16; tg δ ≈ 10⁻⁴–10⁻²; ρ _v ≈ 10¹⁰–10¹² Ом∙м; Е _пр ≈ 10–30 МВ/м при h ≈ 1 мм ипеременном напряжении.

 

Влияние температуры

При электрическом пробое (горизонтальный участок на рис. 15) Е _пр твердых диэлектриков практически не зависит от температуры. Однако, в диэлектриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, при некоторой температуре возможна термическая ионизация ловушек, увеличение концентрации электронов и уменьшение Е _пр.

 

 

Рис. 15. Зависимость электрической прочности Е _пр диэлектриков от температуры Т:

1 – полистирол, 2 – полиэтилен, 3 – фарфор; толщина образцов 1 и 2 – 0,01–0,07 мм, напряжение постоянное; толщина образца 3 – 1,5 мм, f = 50 Гц

 

При тепловом пробое Е _пр ниже, чем при электрическом пробое. С увеличением температуры Е _пр изменяется с характерным изломом (рис. 15). При низких температурах Е _пр не зависит от температуры, здесь имеет место область электрического пробоя. Выше некоторой критической температуры происходит резкой снижение Е _пр и отсюда уже начинается развитие теплового пробоя. У кристаллизующихся полимеров излом зависимости Е _пр = 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) излом на кривой Е _пр = f (T) обусловлен увеличением интенсивности ионно-релаксационной поляризации при тепловым расширении вещества.

При увеличении температуры окружающей среды T ₀ Е _пр диэлектрика уменьшается в соответствии с выражениями (2.10) и (2.11).

 

Влияние толщины диэлектрика

 

С увеличением толщины диэлектрика h его электрическая прочность уменьшается (рис. 16).

 

(а) (б)

 

Рис. 16. Зависимость электрической прочности Е _пр твердых диэлектриков от толщины h:

1,4 – полистирол; 2 – полиметилметакрилат; 3 – полипропилен;

5 – полиэтилен; пробой осуществлен: 1 – на частоте 50 Гц; 2–5 –на фронте одиночных стандартных импульсов напряжения

 

В случае электрической формы пробоя (рис. 16,а) при толщине образцов h ≤10–20 мкм, у неорганических и органических диэлектриков наблюдается электрическое упрочнение – резкое возрастание Е _пр при уменьшении h. Причиной электрического упрочнения является уменьшение средней длины пробега электрона λ при уменьшении толщины диэлектрика. При этом, в соответствии с выражением (2.1), для приобретения электроном энергии, равной энергии ионизации диэлектрика, требуется большая напряженность электрического поля. При h >10–20 мкм в однородном поле, в отсутствие разрядов на поверхности и в порах, в отсутствие объемных зарядов Е _пр не изменяется с увеличением толщины образца.

При электротепловой форме пробоя (рис. 16,б) нелинейный характер зависимости Е _пр(h) выражен значительно сильнее, чем в случае электрической формы пробоя, так как с увеличением толщины образца уменьшается коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик-электроды в окружающую среду (2.8). Из (2.10) и (2.11) следует, что Е _пр 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 Е _пр воздуха. Поэтому, для увеличения Е _пр 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 тонких слоев (рис. 17). Тонкая (несколько микрометров) однослойная изоляция из неоднородного материала (например, бумаги, картона, высыхающих лаков) имеет невысокую Е _пр, если величина частиц неоднородностей (например, пор) соизмерима с толщиной изоляции. При использовании двух-трех слоев изоляции Е _пр возрастает, так как уменьшается вероятность попадания слабых (дефектных) мест под электроды. При дальнейшем увеличении числа слоев изоляции Е _пр снижается ввиду ухудшения отвода тепла.

 

 

Рис. 17. Зависимость Е _пр тонкослойной изоляции от числа слоев

 

Влияние частоты напряжения

При электрической форме пробоя Е _пр твердых диэлектриков от частоты приложенного напряжения не зависит. Однако при пробое на импульсах напряжения продолжительностью 10⁻⁷ с и менее Е _пр возрастает. Это связано с уменьшением вероятности образования электронных лавин при малом времени приложения напряжения.

В случае электротепловой формы пробоя с увеличением частоты Е _пр снижается, так как возрастает количество выделяемого тепла в результате возрастающих диэлектрических потерь в соответствии с выражением (2.6).