Механизмы пробоя диэлектриков
Пробой диэлектрика – это потеря электроизоляционных свойств диэлектриком при напряженности поля, которая превышает определенное критическое значение.
В случае пробоя происходит резкое увеличение плотности электрического тока и уменьшение сопротивления, результатом чего является короткое замыкание. Пробои диэлектрика делятся на пробои твердого диэлектрика, пробой жидкости и пробой газа.
Пробивное напряжение – это напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика.
Различают следующие механизмы пробоя диэлектрика:
- Электрический пробой. В процессе электрического пробоя диэлектрик разрушается силами, которые действуют в электрическом поле на заряды атомов молекул диэлектрика. Данный вид пробоя происходит мгновенно - из-за процесса ударной ионизации электронами. В том случае, когда энергии электронов хватает для ионизации при соударении электронов с атомами, последние ионизируются. В результате этого появляются новые электроны, их количество лавинно растет, что увеличивает проводимость и приводит к электрическому пробою.
- Электротепловой пробой. Данный вид пробоя происходит в том случае, когда количество теплоты, выделяемое диэлектриком вследствие диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в заданных условиях. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до такого значения температуры, при котором происходит расплавление или обугливание материала. В этом случае пробивное напряжение зависит от температуры окружающей среды, условий охлаждения, толщины диэлектрика, частоты и нагревостойкости материала. Если увеличить толщину диэлектрика, то напряжение пробоя становится меньше благодаря ухудшению процесса отвода тепла от средних частей диэлектрика.
- Электрохимический пробой. Данный вид пробоя обусловлен медленным изменением химического состава диэлектрика. Оно развивается при действии электрического поля при высоких температуре и влажности. Электрохимический пробой наблюдается при переменном и постоянном напряжении. В случае высокой частоты электрохимический пробой является результатом ионизации газа, которая сопровождается тепловым эффектом. При низкой частоте в диэлектрике наблюдается необратимое уменьшение изоляции, что приводит к пробою.
- Ионизационный пробой. Данный пробой диэлектрика развивается из-за действия на него частичных разрядов. Диэлектрики из полимеров из-за действия разрядов окисляются, образовавшиеся ионы бомбардируют стенки пор изоляции, результатом чего является механическое разрушение, а появившиеся оксиды азота и озон разрушают полимер.
- Электромеханический пробой. Данный вид пробоя характерен для полимерных диэлектриков, которые находятся в высокоэластичном состоянии при высокой температуре. Из-за действия электростатического притяжения, которое возникает между электродами при высоком напряжении, происходит механическое сдавливание диэлектрика - уменьшение его толщины. Когда достигается критическая точка деформации, происходит пробой диэлектрика.
Пробой твердых и жидких диэлектриков
В твердых диэлектриках возможно протекание всех механизмов пробоя. Каждый из них имеет место быть для одного и того зе диэлектрика в зависимости от характера электрического поля, наличия дефектов и примесей. Электрический пробой имеет место быть, если исключено влияние электропроводности и потерь в диэлектрике, которые обуславливают нагрев материалов, также отсутствие ионизации включений газа. Такой пробой твердого диэлектрика протекает мгновенно и представляет собой чисто электронный процесс, то есть происходит ударная ионизация атомов электронами и образование лавин. У твердого диэлектрика длина электронного пробега значительно меньше, чем у жидкого, поэтому для получения необходимой энергии ионизации необходимо увеличивать напряженность поля.
Тепловой пробой в твердом диэлектрике возникает, если количество теплоты, выделяемое за счет диэлектрических потерь больше, чем тепловой энергии, которая может рассеиваться. В данном случае нарушается тепловое равновесие, и процесс становится лавинообразным.
В жидких диэлектрика пробивное напряжение и механизм пробоя зависят от чистоты диэлектрика. Существуют три степени чистоты диэлектрика:
- Особо тщательно очищенные, в которых не содержится воды, газа и механических примесей.
- Технически чистые, которых почти не содержится механических загрязнений и эмульсионной воды.
- Диэлектрики, в состав которых входят механические примеси и эмульсионная вода.
Эмульсия – это дисперсная система, которая состоит из микроскопических капель жидкости, распределенных в другой дисперсной среде - жидкости.
