- •Глава 6. Керамические Диэлектрики 102
- •Введение
- •Глава 1. Диэлектрики в статических полях
- •1.1. Соотношения электростатики
- •1.2. Молекулярная поляризуемость
- •1.3. Локальное поле
- •1.4. Соотношение Клаузиуса-Мосотти
- •2.5. Полярные молекулы
- •1.6.1. Неполярные полимеры
- •1.6. Относительная диэлектрическая проницаемость полимеров
- •1.6.2. Полярные полимеры
- •1.7. Полимеры с низкой диэлектрической проницаемостью
- •Глава 2. Диэлектрическая релаксация
- •2.1. Общая теория
- •2.1.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери
- •2.1.2. Процесс диэлектрической релаксации
- •2.1.3. Отклонения от модели Дебая
- •2.2. Термическая активация дипольной релаксации
- •2.3. Кооперативная дипольная релаксация в полимерах
- •2.4. Диэлектрическая релаксация в твердых полимерах
- •2.5. Электронные эффекты
- •Глава 3. Полимерные диэлектрические материалы
- •3.1. Синтетические жидкие диэлектрики
- •3.2.Термопласты
- •3.2.1. Неполярные термопласты
- •3.2.2. Полярные термопласты
- •3.3. Реактопласты
- •3.4. Пластические массы
- •Глава 4 Электронная проводимость полимеров
- •Глава 5. Электрический пробой
- •5.1. Электронный пробой
- •5.2. Электромеханический пробой
- •5.3. Тепловой пробой
- •5.4. Пробой вследствие газового разряда
- •5.4.1. Внутренние разряды и образование дендритов
- •5.4.2. Внешние разряды и тренинг
- •5.5. Длительная электрическая прочность
- •5.6. Переменные поля
- •5.7. Эффекты пространственного заряда
- •5.8. Конструкция высоковольтных изделий
- •5.8.1. Силовые кабели
- •5.8.1. Тонкослойные конденсаторы
- •5.9. Приложение: статистика пробоя
- •Глава 6. Керамические Диэлектрики
- •6.2. Физикохимические основы создания керамики.
- •6.2.1. Твердые растворы
- •6.2.2. Типы твердых растворов
- •6.3. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем
- •6.3.1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с непрерывным рядом твердых растворов
- •6.3.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с эвтектикой без химических соединений и твердых растворов.
- •6.4. Система CaO–Aℓ2o3–SiOz
- •6.5. Свойства керамических материалов
- •Список литературы
5.4.2. Внешние разряды и тренинг
При конструировании высоковольтных изоляторов важно не допускать преждевременного возникновения воздушных разрядов на краях электродов. Рассмотрим однородную пластину изолирующего материала толщиной d, помещенную между электродом с закругленными краями и заземленным электродом. Края электрода в этом случае играют роль емкостного делителя напряжения V из параллельных конденсаторов с воздушными зазорами увеличивающейся толщины и последовательно соединенных элементов изолятора. Такое рассмотрение позволяет определить вероятность пробоя при краевых разрядах для данного напряжения.
На практике пробой изолятора часто связан с ухудшением изоляционных свойств его поверхности. Следы грязи и влаги неизбежно ведут к появлению поверхностной проводимости, хотя хорошие изоляторы самовосстанавливаются в результате нагрева и очистки поверхности токами утечки. Все же некоторые полимеры при этих условиях необратимо повреждаются в результате трекинга, ведущего к полному пробою материала.
Трекинг начинается при высыхании поверхности и образовании на ней узких сухих полосок, на которые приходится основное падение напряжения, что вызывает поверхностное искрение. При этом полимер обугливается и на поверхности могут образовываться проводящие дорожки, в результате чего полимер вспыхивает, иногда буквально взрываясь факелом пламени. Существуют стандартные тесты для различных условий эксплуатации, позволяющие ранжировать полимеры по их подверженности трекингу. В одном из таких тестов, аэрозольно-пылевом испытании образец полимера покрывают порошком, содержащим 3% хлорида натрия, и создают вокруг него искусственный туман. На медные электроды, закрепленные на поверхности образца на расстоянии 1 дюйм, подается напряжение 1500 В. Критерием выхода из строя служит время, затрачиваемое на закорачивание электродов поверхностными треками [4]. (Материалы, не подверженные трекингу, выходят из строя при эрозии по толщине образца в направлении к заземленной подложке, на которую помещают образец.)
5.5. Длительная электрическая прочность
В предыдущих разделах описаны механизмы пробоя различных материалов в различных условиях. Для всех из них характерно наличие некоторого периода времени до начала пробоя, достаточно короткого в большинстве случаев, за исключением дендритного механизма. Для изготовления надежного электрооборудования необходимо знать, что происходит во время длительной его эксплуатации при рабочем напряжении, которое обычно намного меньше, чем в испытаниях на пробой. В этих условиях процесс пробоя усложняется и становится многостадийным, включающим элементы ряда механизмов, рассмотренных выше, и дополнительные, связанные с процессами старения полимеров. В практических целях используют различные эмпирические формулы, связывающие время жизни до пробоя tc с величиной напряжения V. Наиболее часто применяют обратную степенную зависимость с тремя параметрами:
tC = ∞, V< Vth ,
tC = const∙(V−Vth )−n, V> Vth , (5.7)
где Vth, — пороговое напряжение, ниже которого пробой не происходит. Лишь недавно понимание процессов старения полимерных материалов под действием электрического поля достигло уровня интерпретации их молекулярных механизмов [4].