Пробой диэлектриков

Пробоем диэлектрика называют явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

В ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до , а сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание электродов.

Значение напряжения в момент пробоя U_np называют пробивным напряжением, напряженность электрического поля Е_пр — электрической прочностью.

В зависимости от свойств изоляции и мощности источника электрической энергии, с помощью которого подается напряжение на образец, после пробоя в изоляции могут наблюдаться следующие изменения. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника — даже электрическая дуга, под действием которой происходят оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения диэлектрика и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя можно обнаружить пробитое, проплавленное, прожженное отверстие — след пробоя. Если к такому образцу твердой изоляции напряжение приложить повторно, то пробой происходит, как правило, при значительно меньших U, чем U_np, первого пробоя. При пробое газообразных и жидких диэлектриков после снятия U пробитый промежуток восстанавливает первоначальные значения U_np, так как атомы и молекулы газа и жидкости мгновенно диффундируют в объем, который занимали разрушенные в процессе пробоя частицы.

Экспериментально определяемая величина Е_пр зависит от толщины образца диэлектрика, формы и площади электродов, скорости подъема и времени воздействия приложенного напряжения. Значение Е_пр при постоянном токе может сильно отличаться от Е_пр при переменном токе или от Е_пр диэлектрика при воздействии импульсных напряжении. На Е_пр, влияют и другие факторы. Поэтому определение электрической прочности проводится стандартными методами. Только при этом возможны сравнение диэлектриков между собой и контроль их качества.

Виды пробоя твердых диэлектриков

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика и условий определения его Е_пр.

Электрический пробой — это процесс, в результате которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Этот вид пробоя протекает в течение , т.е. почти мгновенно. Он вызывается ударной ионизацией электронами. На длине свободного пробега электрон в электрическом поле с напряженностью Е приобретает энергию , где е-заряд электрона. Если энергия W_И электрона достаточна для ионизации, то электрон при соударении с атомами, ионами или молекулами, из которых состоит диэлектрик, ионизирует их. В результате появляются новые электроны, которые также ускоряются электрическим полем до энергии W_И. Таким образом, количество свободных электронов лавинно возрастает, что приводит к резкому увеличению проводимости и электрическому пробою.

Для электрического пробоя твердых диэлектриков характерными являются следующие признаки. При увеличении Е ток j перед пробоем растет экспонен­циально. Для самых различных по свойствам диэлектриков Е_пр, изменяется в достаточно узких пределах (10⁷...10⁸ В/м). Значение Е_пр, не зависит от свойств, окружающей диэлектрик среды. Значение Е_пр не зависит от времени выдержки образца под напряжением и его толщины.

При электрическом пробое Е_пр не зависит от температуры. Однако в ди­электриках, которые имеют дефекты, образующие ловушки для электронов, возможна термическая ионизация ловушек, а следовательно, увеличение концентрации электронов и уменьшение Е_пр. Электрическая прочность ионных кристаллов при импульсных напряжениях с ростом температуры может несколько увеличиваться. Это вызвано торможением электронов в зоне проводимости при их взаимодействии с ионами в узлах кристаллической решетки. При электрическом пробое в однородном поле Е_пр больше, чем в неоднородном.

Электротепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности, его часто называют тепловым пробоем.

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота больше отводимой, то диэлектрик нагревается, и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, при ко­тором происходит прожог, проплавление, т.е. пробой. Время развития пробоя и величина U_np при электротепловом пробое зависят от конструкции электроизоляционного изделия и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение т.е. во много раз медленнее электрического пробоя. Значение Е_пр может достигать 10⁷В/м.

Электротепловой пробой, как правило, происходит в том месте образца, где условия теплоотвода наихудшие. Напряжение U_np зависит от условии теплоотвода, т.е. от свойств той среды, в которую при испытаниях помещается образец. За время более длительной выдержки под напряжением диэлектрик нагревается за счет ди­электрических потерь больше, поэтому E_np снижается. При пробое толстых образцов теплоотвод от их внутренних областей затруднен, поэтому они перегреты больше, чем слои, расположенные ближе к электродам. При увеличении толщины образца перегревание внутренних слоев увеличивается, и Е_пр, (U_np) уменьшается.

При электротепловом пробое Е_пр, уменьшается с ростом температуры окружающей среды, что вызывается увеличением теплоты, выделяющейся в образце за счет диэлектрических потерь, и уменьшением теплоты, отводимой от образца в окружающую среду.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлектрик среде. Время развития электрохимического пробоя может достигать . С увеличением напряженности электрического поля в диэлектрике или температуры время развития пробоя как правило, уменьшается. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика.

Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды, особенно интенсивные на переменном напряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении протекают процессы, которые приводят к разрушению диэлектрика в объеме, примыкающем к газовому включению. Одним из таких процессов является образование дендритов - ветвящихся тонких (диаметром 1 мкм) трубочек, заполненных газом каналов, по которым происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя происходит в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпоксидных смол.

Старение неорганических диэлектриков протекает более интенсивно при постоянном напряжении. В процессе ионной электропроводности происходит перенос ионов, что приводит к необратимому изменению химического состава ма­териала в объеме образца или изделия. Поэтому Е_пр диэлектрика может уменьшиться и произойдет его пробой.