Теоретические предпосылки

Многообразие явлений при пробое твердых диэлектриков до сих пор не нашло точного теоретического объяснения. Пробой может быть электрическим, электро­химическим, ионизаци­онным и электротепловым. Электрический пробой, обычно происходить мгновенно ~10^-7 -10^-8 с и не зависит от температуры (до определенного значения последней) и длительности воздействия напряжения.

Основной физиче­ской сущностью процесса является образование в ди­электрике достаточно сильной электронной лавины из небольшого числа начальных электронов под действием большой напряженности электрического поля. Этот процесс обычно сопровожда­ется ударной ионизацией. Относительно правильный порядок значений пробивных напряже­ний дает квантовая тео­рия, но и она не объясняет все явления, про­исходящие при пробое. Согласно классической теорий, электрическая прочность в твердых диэлектриках определяется длиной свободного пробега электронов, кото­рой намного меньше, чем в жидких и газообразных диэлектриках. Поэтому элек­трическая прочность в твердых диэлектриках всегда больше, чем в жидких и газо­образных ди­электриках. Из-за малой длины свободного пробега электронов в твердых диэлектриках рост электрической прочности с уменьшением толщины заметен только при очень малых толщинах. Этой закономерностью подтверждается механизм ударной ионизации.

Результаты испытаний по электрическому пробою твердых тел по­казывают, что назначение пробивного напряжения влияют в ос­новном характер микрострук­туры диэлектрика, форма элек­триче­ского поля и вид напряжения. В твердых ди­электриках однородное поле может быть полу­чено в очень редких случаях. Поле определяется формой электродов и по конфигурацией изоля­ционных конструкций и искажается за счет посторонних включений. В однородном поле электри­ческая проч­ность диэлектрика максимальна. В неоднородном поле электрическая проч­ность диэлектрика изме­няется с увеличением его толщины и пробой происходить при относительно низком напряжениях, чем пробой при однородном поле.

Электрическая прочность твердых технических ди­электри­ков зависит от их однородности и главным образом от содержания в них га­зовых включений. Пористые диэлектрики, такие, как мрамор, дерево, непропитан­ная неплотная бумага, пористая керамика, обладают низкой электри­че­ской прочно­стью. Диэлектрики плотной структуры, такие как слюда, пропитанная бумага, стекло, имеют повышенную электри­ческую прочность.

Электротепловой пробой обычно развивается у диэлектриков с повышенной электропроводимостью и значительными диэлектрическими потерями. Он развивается медленнее электрического, нужно время, чтобы диэлектрик нагрелся. Чем выше приложено напряжение к диэлектрику, тем интенсивнее разогрев, тем быстрее произойдет снижение Е_пр., а следовательно произойдет пробой. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в элек­трическом поле до темпе­ратуры, при которой материал разруша­ется

(плавится, растрескива­ется, обугливается) с чрезмер­ным воз­растанием тока сквозной проводимости или диэлектрических по­терь. Значение пробив­ного напряжения при тепловом пробое характери­зует электроизоляционное изделие, а не диэлек­трик, из которого оно изго­товлено. Это напряжение зависит от нагревостойкости ма­териала, частоты тока, ус­ловий охлаждения, температуры охлаж­дающей среды и др.

Некоторые твердые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью, ко­торая может определяться самой природой диэлектрика, например волокнистые материалы (бумаги, картоны), или появляться в процессе эксплуатации. При наличии газовых включений при повышения напряжения, до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация этих включений, в которых напряженность электрического поля всегда больше, чем в твердой части. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь. Вследствие роста потери за счет ионизации воздушных прослоек может появиться опасность теплового пробоя. Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающим образом на твердый ди­электрик за счет бомбардировки ионами и электронами, вызывающими эрозию, за счет теплового воздействия и воздействию озона и окислов азота. Так и происходить ионизационный пробой в твердых диэлектриках.

Электрохимический пробой происходит чрезвычайно медленно и объясняется протеканием в диэлектрике различных электролитических процессов, необратимо уменьшающих электрическую прочность диэлектрика. Развитию электрохимического пробоя способствует повышенная температура и высокая влажность окружающего воздуха.

Под воздействием некоторого определенного напряжения диэлектрик теряет свои свойства и происходит его пробой изоляции. Через диэлектрик проходить ток очень большой величины, и в диэлектрике образуется проводящий канал с малым электрическим сопротивлением. В результате пробоя диэлектрик оказывается непригодным к дальнейшему применению. Значение напряжения, при­ложенного к электродам в момент пробоя, на­зывается пробивным напряже­нием U_пр(кВ), а соот­ветствующее значение напряженности электри­ческого поля - пробивной напряжен­ностью или электрической прочностью диэлектрика и вычисляется по формуле:

Е_пр. = U/ h МВ/мм, (1)

где h - толщина материала в месте пробоя, мм.

Для надежной работы диэлектриков их рабочее напряжение должно быть ниже пробивного. Отношение пробивного напряжения U_пр. к номинальному U_н на­зывается коэффициентом запаса электрической прочности. Он устанавливается в зависимости от физико-химических свойств ди­элек­трика и условий его работы.

Электрическая прочность ряда электроизоляционных материалов может быть повышена пропиткой их маслами, лаками или компаундами.

В настоящей работе определяется электрическая прочность образцов изолирующих материалов в условиях, предусмотренных стандартом, при напряжении промышленной частоты.