Пробивное напряжение и электрическая прочность

Минимальное напряжение Unp, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того замыкает канал или нет оба электрода пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность, образуя так называемый трекинг, науглероженный след на органических диэлектриках. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому больше единицы и называется коэффициентом импульса. Зависимость пробивного напряжения от 'времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Снижение Unp от времени происходит из-за электрического старения изоляции — необратимых процессов под действием тепла и электрического поля. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле Enp=Unp/h, где Епр, В/м, U—пробивное напряжение, В, h— толщина диэлектрика, м. Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в В/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами такое: 10 В/м=1МВ/м=1 кВ/мм.

Электрический пробой — разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Епр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10^-4-10^-5 см. По сравнению с воздухом, у которого Епр~3 МВ/м, наибольших значений при электрическом пробое достигает Епр у твердых диэлектриков— 10²-10³ МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 10² МВ/м

Электротепловой пробой

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло –Q₁ становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Unp от влияния различных факторов. Пусть

Q₁=U²ωCtgδ. (3.4.1)

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то tgδ=tgδ_oexp[α(T-To)], где а и tgδ_o зависят от природы диэлектрика, Т— температура окружающей среды (электродов), Т₀—температура диэлектрика. Количество отводимого тепла определяется равенством

Q₂=2σS(T-To), (3.4.2)

где σ — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду, S — площадь электрода.

 

 

рис. 3.4.1

 

Из графического представления зависимости Q₁ и Q₂ от температуры (рис. 3.4.1) видно, что при U₁ и T₁ будет устойчивое тепловое равновесие Q₁=Q_2,

при U₂, Т₂ и U₁/T₂— состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой.

Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2 –10^-3с.

Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача, Епр при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Unp с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10³-10⁸ с.