9.3. Электрический пробой твердых диэлектриков

            Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях.

  Закономерности пробоя твердых диэлектриков

Температурная зависимость. Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.

Рис.9.6. Зависимость электрической прочности пленки SiO₂ от толщины [2]

Зависимость от межэлектродного зазора.

При малых зазорах напряженность поля пробоя резко нарастает с уменьшением зазора (рис.9.6). Современные экспериментальные данные по пробою специально выращенных бездефектных пленок показывают, что пробивная напряженность в субмикронных зазорах может доходить до 100 МВ/см.

Зависимость от площади. Эта зависимость - чисто эмпирическая, как в газах и жидкостях, она имеет вид Е=Е₀S^-1/10

Кристаллографическая направленность. При разряде в кристаллах, например NaCl, с “игольчатого” электрода разряд зачастую имеет вид не “дерева” или “куста”, а разветвленной структуры с ветвями, ориентированными вдоль определенных кристаллографических направлений. При этом, разряд с анодного острия предпочитает одни направления, а с катодного острия - другие.

Закономерности импульсного пробоя: такие же, как в случае пробоя жидкостей. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10 МВ/см.

Из теорий электрического пробоя рассмотрим модель электрического пробоя, модель пробоя под действием частичных разрядов и наиболее проработанную теорию теплового пробоя.

Много моделей рассматривают электрический пробой твердых диэлектриков. Считается, что электроны могут вырываться из электродов или из молекул примесей, например путем туннельного эффекта, или термоионизации и попадают в зону проводимости. Там они ускоряются и набирают энергию, достаточную для выбивания новых электронов из заполненной зоны. Выделяющаяся энергия приводит к разрушению и появлению канала разряда. В случае чисто «электрического» механизма не должно быть температурной зависимости Е(Т).  

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик”. Это является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, т.н. старения диэлектриков.

Старение диэлектриков - ухудшение характеристик диэлектриков при их эксплуатации.  

Рис.9.7. Зона частичных разрядов на подъеме и спаде напряжения.

 

Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетике на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают частичные разряды.(рис.9.7)

Частичный разряд - локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика.

         Каждый разряд оказывает слабое воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность ЧР зависит от напряженности поля. Однако разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, поэтому с течением времени их действие нарастает. Это ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и в конце концов к зарождению дендрита.

Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10-20 мкм.

        Интенсивность роста дендрита зависит от напряженности поля и она определяет зависимость времени жизни от напряженности и частоты воздействующего напряжения. Поведение органических и неорганических диэлектриков различается. На переменном напряжении неорганика практически не стареет, т.к. в ней не происходит разложения материала и обуглероживание каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счет перемещения ионов разного знака к разным электродам. Органика на переменном напряжении стареет за счет ЧР, на постоянном напряжении практически не стареет.

Водный триинг (водный дендрит) - образование разветвленной микроструктуры в виде объемной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, состоящей преимущественно из воды. Характерен для полиэтиленовой изоляции кабелей, работающих во влажных условиях. Растет от точек входа воды вглубь промежутка под действием напряжения и воды. Диаметр водного дендрита - доли микрон. При разрастании структуры триинга до размеров половины промежутка или более, происходит пробой промежутка.

Обычно механизм выхода их строя твердой изоляции под действием напряжения представляется следующим. В порах возникают частичные разряды, они постепенно разрушают диэлектрик в прилегающей области, затем их амплитуда растет и, по достижению некоторого значения, скачкообразно происходит образование микродендрита. Затем ЧР происходят уже в дендрите, и после определенных воздействий, дендрит скачкообразно прорастает дальше вглубь промежутка. В конце концов происходит пробой всего промежутка. Для влажных условий водные дендриты начинают играть превалирующую роль, приводя к пробою при сравнительно низких напряжениях.

По сути дела, тепловой пробой возникает вследствие увеличения электропроводности диэлектрика с ростом температуры, которую обычно представляют в виде s T(s =₀×)exp(aT-T(×₀)), где a- температурный коэффициент зависимости. Механизм возникновения представляется следующим образом. Энерговыделение W в среде с напряженностью E и удельной проводимостью s в течении времени tD определяется джоулевыми потерями W = sE²tD. Это приводит к росту температуры DТ в соответствии с выражением W = с×dTD×, где с × удельная теплоемкость, d - плотность диэлектрика. Рост температуры сопровождается ростом электропроводности, что приводит к росту энерговыделения и т.п. В результате возникает ничем не ограниченный (при мощном источнике) рост температуры. Считается, (чисто математически) что пробой произойдет при достижении бесконечной температуры. Для одного частного случая, когда пренебрегается теплоотводом от диэлектрика во внешнюю среду получено известным российским ученым академиком Фоком выражение

Е = (с×d/(a s×(Т₀)× t))1/2 (9.4)

Это выражение определяет температурную зависимость электрической прочности E(T₀), ввиду зависимости s(Т₀).

Экспериментально тепловой пробой твердых диэлектриков выявляется не только по виду температурной зависимости, но и по внешнему виду канала разряда. В этом случае обычно канал разряда расположен в центре образца и он имеет аккуратные гладкие стенки, характерные для проплавления диэлектрика.