Электротехнический-портал.рф

У твердых диэлектриков могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1. электрический;
2. тепловой;
3. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

Тепловой пробой связан с разогревом диэлектрика вследствие выделяемой в нем энергии при приложении на­пряжения. Если с повышением температуры выделяемая энергия увеличивается, то при некотором напряжении, называемом напряжением теплового пробоя, тепловыделение в диэлектрике превысит теплоотдачу в окружающую среду. Это обусловливает непрерывный рост температуры во вре­мени и разрушение диэлектрика.

Для загрязненных либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой – разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возника­ет вследствие положительного температурного коэффициента электропровод­ности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с рос­том температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде

(2.1)

где а – температурный коэффициент зависимости; T₀ – начальная температура; σ(T₀) – электропроводность при начальной температуре.

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом.

Приложенное напряжение вызывает потери энергии в диэлектрике; при постоянном напряжении они определя­ются удельной проводимостью диэлектрика γ, а при переменном – тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ . Так как с повышени­ем температуры величины γ, а в об­ласти повышенных температур – и величины  tgδ растут, то при некотором напряжении возможно возникновение неустойчивого теплового состояния диэлектрика. В этом случае увеличение γ или tgδ с повышением температуры, в свою очередь, приводит к увеличению вы­деляемых в диэлектрике потерь и к дальнейшему росту температуры; это заканчивается тепловым разрушением диэлектрика.

Рисунок  2.1 – Схема диэлектрика к расчёту теплового пробоя:

А, В – электроды; С – диэлектрик

Рассмотрим слой однородного диэлектрика с толщиной 2h = d, находящийся между бесконечными плоскими элек­тродами (рисунок 2.1). Составим дифференциальное уравнение, соответствующее равновесному состоянию системы. В дан­ном случае из соображений симметрии принимаем плоскопараллельное тепловое поле с градиентом температуры по оси z. Поток тепла, входящий за 1 с в параллельный электро­дам слой диэлектрика толщиной dz и площадью 1 см², бу­дет меньше потока, выходящего из слоя, на количество теп­ла, выделяющегося ежесекундно в этом слое вследствие ди­электрических потерь

(2.2)

где k – коэффициент теплопроводности диэлектрика; γ_э – эквивалентная удельная проводимость диэлектрика. Для переменного напряжения

(2.3)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость; – частота приложенного напряжения.

Напряженность теплового пробоя изменяется обратно пропорционально d.

С учетом связи между γ и tgδ по уравнению (2.3) имеем

(2.4)

где k – в кал/с град см; U_пр – в вольтах.

Приведенные выше формулы получены в предположении, что в диэлектрике при его разогреве величина напряженности поля не зависит от координаты z. Это допущение можно считать справедливым при переменном напряжении, для ко­торого, если пренебречь током проводимости

(2.5)

Величина ε для большинства технических диэлектриков сла­бо зависит от температуры при не очень высоких частотах. При постоянном напряжении

(2.6)

и вследствие зависимости γ от T имеет место существенная зависимость Е от z, причем слои диэлектрика, ближайшие к электродам, нагружаются сильнее, чем центральные.

В этом случае напряженность и напряжение теплового пробоя определяются формулами, аналогичными (2.4 и (2.5), в которых изменяется только функция

(2.7)

(2.8)

При d → ∞ и  c → ∞ φ₁(с) → 1,0. Повышение пробивных напряжений для постоянного напряжения при тех же d и γ_э объясняется уменьшением напряженности в центральной части диэлектрика, т. е. в области наибольших температур, и затруднением развития теплового пробоя.

При малых толщинах диэлектрика (λd<<4k) на основании (2.7) и (2.8), пробивное напряжение пропорционально √d, а пробивная напряженность – обратно пропорциональна √d. Термическое разрушение диэлектрика может происходить и без неограниченного роста температуры. В стационарном состоянии, когда количество тепла, выделяемого в диэлек­трике за счет потерь, равно количеству тепла, отводимого через электроды, установившаяся температура может ока­заться слишком высокой. Разрушение в этом случае может наступить в результате оплавления, обугливания и подобных процессов, вызванных диэлектрическим нагревом. Это явление называют тепловым пробоем второго рода.