Пробой твердых диэлектриков

Различают 4 вида пробоя в твердых диэлектрика.

1) Электрический пробой в макроскопически однородных диэлектриках

2) Электрический пробой в неоднородных диэлектриках

3) Тепловой, электротепловой пробой.

4) Электрохимический пробой

Каждый из видов может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянная, переменная, импульсная, низкой или высокой частоты) наличие в диэлектриках дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия напряжения.

1. Характеризуется быстрым развитием за короткое время и обусловлен тепловой энергией.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев диэлектрика, а также отсутствие ионизации газов включения. Электропрочность при пробое может служить мерой электропрочности вещества. Такие условия удается наблюдать для монокристаллов щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. Для однородных материалов наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях. 1- для однородного, 2 – неоднородного, h – толщина диэлектрика.

2. Характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения. Так же как и электрический пробой однородного диэлектрика весьма быстро развивается. Пробивное напряжение для неоднородного диэлектрика, как правило, не высоки и мало отличающиеся друг от друга. Электрическая прочность не зависит от температуры до некоторого значения.

1- однородное поле, 2 – неоднородное. Е_пр – эл. прочность, А – область эл. пробоя, В – область теплового пробоя, t – температура.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика). Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрика, имеющие плотную структуру и не содержащие газового подключения (слюда, стекло).

3. Возникает в том случае, когда количество теплоты, выделившейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь превышает количество теплоты, которая может рассеивается в данных условиях. При этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливания. 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. Кроме того электротепловое пробивное напряжение зависит от нагретостойкости материала. Органические диэлектрики имеют более низкие значения пробивного напряжения, чем неорганические (кварц, керамика); вследствие их малой нагретостойкости. При тепловом пробое электрическая прочность уменьшается.

Рассмотрим тепловой пробой: Пусть пластина однородного диэлектрика находится между двумя электродами; к электроду приложено напряжение U, которое можно увеличивать до пробивного напряжения U_пр. Тогда - угловая частота, d - угол диэлектрических потерь. Используя экспоненциальную зависимостьtg d от температуры и преобразуя выражение, получим: , где U – приложенное напряжение, f - частота, - относительная диэлектрическая проницаемость, tg d - тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды, a - температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь материала, t₀ – температура электродов, S – площадь электрода, h – толщина диэлектрика.

Мощность, отводимую от диэлектрика, выразим с помощью формулы Ньютона: - коэффициент теплопередачи системы диэлектрик – металл электродов.

Напряжение, при котором имеет место неустойчивое состояние можно определить, когда Р_а=Р_Т, и когда . Используя предыдущие формулы, получаем: (1)

Разделив первое уравнение на второе: (2). Подставляем (2) в (1) и решаем уравнение относительно U: - числовой коэффициент.

Это выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше и диэлектрик толще, а меньше при высоких частотах, большом коэффициенте диэлектрических потерь e, tg d и большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь a.

4. Этот пробой имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается, когда в материалах развиваются процессы электрохимического старения, также при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа. Для развития этого пробоя требуется длительно время, т.к. он связан с явлением теплопроводности.