1.2.2.2. Механизм электрического пробоя твердых диэлектриков
Электрический пробой твердых диэлектриков происходит в тех случаях, когда исключена возможность существенного разогрева диэлектрика или процессов старения.
Признаками электрического пробоя могут служить:
а) независимость Uпр от температуры;
б) слабая зависимость Uпр от времени (не считая очень коротких времен, < 10–6 с);
в) значительное влияние локальных неравномерностей электрического поля.
В твердых диэлектриках, так же как в газообразных и жидких, необходимо выделить 2 стадии развития канала разряда:
1. Формирование разряда: появление (источник) свободных заряженных частиц (электроны, ионы), образование ионизационных процессов, протекание тока через диэлектрик, создание проводящего пути.
2. Завершение разряда: быстрое нарастание тока через диэлектрик, спад напряжения до нуля.
В
есь
этот процесс может быть изображен
графически при помощи вольтамперной
характеристики (рис. 1.34), где 0а
– проводимость диэлектрика не изменяется
(соблюдается закон Ома); ав
– ток быстро возрастает не пропорционально
напряжению (нарушение закона Ома); вс
– предпробивное состояние, после
которого ток катастрофически увеличивается
за счет увеличения проводимости (падение
напряжения при этом на диэлектрике
уменьшается).
Пробой твердых диэлектриков всегда ассоциируется с возникновением канала, обладающего высокой проводимостью и замыкающего разрядный промежуток.
Электрический пробой обычно связывают с кратковременным, импульсным воздействием на изоляцию высокого напряжения. Отсутствие научно обоснованных инженерных методов расчета затрудняет эффективное использование твердой изоляции во всем многообразии современного ее применения. При электрической форме пробоя по аналогии с газообразными диэлектриками механизм пробоя твердых диэлектриков основывался также на ударной ионизации валентной зоны. Сама же реализация этого механизма полагалась очевидной.
Ю.Н. Вершининым предложен (2000 г.) иной подход и описание механизмов электрического пробоя твердых диэлектриков, что позволяет целенаправленно выбирать диэлектрики и их свойства, обеспечивающие необходимые технические требования к электрической изоляции высоковольтных устройств и установок.
Распространение каналов разряда неразрывно связано с возникновением и перемещением в объеме твердого диэлектрика фазовых переходов первого рода. При разряде с катода это переход «твердое тело –расплав», а при разряде с анода – «твердое тело – плотная плазма». Возникновение первичного канала разряда как с катода, так и с анода имеет одинаковую тепловую физическую природу. Различие состоит лишь в том, что при разряде с катода в его формировании участвуют преимущественно несобственные электроны, инжектированные из катода, а при разряде с анода – собственные электроны из мелких донорных уровней. Знание этих механизмов позволяет управлять данным процессом, например методом легирования приэлектродных областей.
Предпробивной этап развития разряда в твердых диэлектриках состоит из двух стадий. На первой стадии происходит формирование начального участка канала – первичного канала разряда. Эта стадия является следствием возникновения в приэлектродной области разрядного промежутка электронов проводимости и развития неустойчивостей в их коллективе. При достижении в локальной области диэлектрика плотности тока j, превышающей некоторого критического значение jкр, в ней создаются условия для перехода твердого вещества диэлектрика в его расплав.
Закономерности и механизм формирования разряда
Предпробивной этап развития импульсного разряда завершается при замыкании каналом всего разрядного промежутка. Этим завершается первая стадия. Вторая стадия начинается, когда электрический разряд переходит в состояние дуги, горящей в ограниченном пространстве. На этом завершающем этапе пробоя принципиально изменяются факторы, определяющие физическое содержание процесса. На предпробивном этапе определяющими факторами являются параметры импульса напряжения, свойства диэлектрика и геометрия разрядного промежутка. На втором этапе главная роль отводится электрическим параметрам разрядной цепи и источника энергии. Это одна из моделей, описывающих электрический пробой твердых диэлектриков. Она основана на современных достижениях физики твердого тела (наука о процессах, происходящих в твердых диэлектриках при воздействии сильных электрических полей). Тем не менее, использование ее для расчетов изоляционных устройств высоковольтных конструкций, для инженерной практики затруднительно. Требуется дальнейшая разработка как выдвинутых идей, так и новых подходов. Как сказал крупный ученый в области электрического разряда Г. Ретер, «между катодом и анодом существует больше явлений, чем это представляется нашему воображению».