Пробивное напряжение и пробивная напряжённость
Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором критическом значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.
Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением 
, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность 
диэлектрика.
Электрическая прочность диэлектрика – это минимальное значение напряженности электрического поля, при котором наступает пробой.
В простейшем случае можно принять
(2.1)
где h – толщина диэлектрика.
Электрическая прочность зависит от:
- степени однородности образца (у твердых диэлектриков – от количества и размера пор, у жидких – от частиц нерастворенной примеси, у воздуха – от микрокапель влаги);
- химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами);
- частоты и времени приложения напряжения;
- давления;
- влажности и т. д.
Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) берется всегда ниже, чем изоляции. Отношение 
представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.
Виды разрядов в диэлектриках
Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.
Пробои газов обуславливаются явлением ударной и фотонной ионизации. Небольшое количество ионов и электронов, находящихся в газе в беспорядочном тепловом движении под действием поля, начинают упорядоченно перемещаться. При этом заряженная частица начинает приобретать дополнительную энергию, которая сообщается при столкновении другим молекулам или атомам. Если энергия достаточна происходит возбуждение атома, связанное с переходом электрона на более удалённую от ядра орбиту или ионизация молекул.
Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации и тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей.
Пробой твёрдых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими в сильном электрическом поле.
При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.
Различают также пробой полный – канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому (рисунок 2.1, а), неполный (например, коронный разряд) – канал проводимости не достигает одного из электродов и частичный – пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.
Рисунок 2.1 – Схема пробоя твёрдого диэлектрика:
а) пробой, б) поверхностное перекрытие твёрдого диэлектрика
Пробои газов обуславливаются явлением ударной и фотонной ионизации. Небольшое количество ионов и электронов, находящихся в газе в беспорядочном тепловом движении под действием поля, начинают упорядоченно перемещаться. При этом заряженная частица начинает приобретать дополнительную (добавочную) энергию, которая сообщается при столкновении другим молекулам или атомам. Если энергия достаточна происходит возбуждение атома, связанное с переходом электрона на более удалённую от ядра орбиту или ионизация молекул.
Свободный электрон под действием приложенного электрического поля, двигаясь по направлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля
(2.2)
где е – заряд электрона;
λ – средняя длина свободного пробега электрона;
Е – напряженность электрического поля.
Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии ионизации 
данной молекулы, то произойдет ее расщепление на положительный ион и электрон, т. е. произойдет электронная ударная ионизация (она имеет место только в сильных электрических полях). Механизм расщепления показан на рисунке 2.2
Рисунок 2.2 – Схема электронной ударной ионизации
Электронная ударная ионизация идет лавинообразно и заканчивается пробоем газа. Значение ионизационного потенциала большинства газов от 4 до 25 эВ.
Рисунок 2.3 – Схема лавинообразного пробоя:
АБ – электронная лавина;
СД – образование электроотрицательного стримера
Закон Пашена
Пробивное напряжение газа в однородном поле зависит от давления ρ газа и расстояния S между электродами 
эта зависимость называется законом Пашена.
Наименьшее напряжение зажигания газового разряда между двумя плоскими электродами в однородном электрическом поле есть величина постоянная и характерная для данного газа.
Данный закон частный случай закона подобия газовых разрядов. Явления в разряде протекают одинаково, если произведение давления газа на длину разрядного промежутка остаётся величиной постоянной, а форма промежутка сохраняется геометрически подобной исходной.
Рисунок 2.4 – Кривая Пашена
При низких давлениях, газы обладают достаточно высоким пробивным напряжением, что объясняется малым количеством столкновений электронов, разгоняемых электрическим полем, с молекулами газа и малой вероятностью ионизации.
При увеличении давления возрастает число молекул газа, увеличивается число столкновений электронов с молекулами и возрастает вероятность ударной ионизации (снижение , вплоть до значения 
).
Эффект увеличения электрической прочности при низких и высоких давлениях используется на практике при создании вакуумной изоляции и изоляции, работающей под давлением.
Виды пробоев твёрдых тел
Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:
- электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
- электрический пробой неоднородных диэлектриков;
- тепловой (электротепловой) пробой;
- электрохимический пробой.
Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же материала в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор, от условий охлаждения, времени воздействия напряжения.
Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков.
Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 
- 
с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Электроны рассеивают энергию своего движения, накопленную в электрическом поле, возбуждая упругие колебания кристаллической решетки. Электроны, достигшие определенной критической скорости, производят отщепление новых электронов стационарное состояние нарушается, т. е. возникает ударная ионизация электронами в твердом теле.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала напряженность поля при электрическом пробое может служить мерой электрической прочности вещества.
Для однородных материалов наблюдается заметная разница между значениями пробивного напряжения в однородном и неоднородном полях.
Электрический пробой неоднородных диэлектриков.
Такой пробой характерен для технических диэлектриков, которые чаще всего содержат газовые включения. Так же, как и электрический пробой однородного диэлектрика, он отличается весьма быстрым развитием.
Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков, наблюдающиеся во внешнем однородном или неоднородном поле невысоки и мало отличаются друг от друга.
Принято считать, что в однородном поле электрическая прочность стекол, фарфора и ряда других твердых диэлектриков не зависит от толщины образца. Однако основные работы по изучению влияния степени однородности поля на электрическую прочность проводились лишь со стеклом при очень малых толщинах. С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений.
Снижение электрической прочности твердых диэлектриков при увеличении площади электродов наблюдается у керамики, бумаги, картона, лакотканей и пр.
Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого ее значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.
Низкой электрической прочностью отличаются, диэлектрики с открытой пористостью; к таким диэлектрикам относятся мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика. Электрическая прочность их сравнительно мало отличается от таковой для воздуха; исключение составляет бумага с повышенной плотностью. Твердые диэлектрики с закрытыми порами, например, плотная керамика, характеризуются более высокой электрической прочностью. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах.
Тепловой пробой.
Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.
Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях).
Рисунок 2.5 – Зависимость электрической прочности электротехнического фарфора от температуры при f=50 Гц: А – область электрического пробоя;В – область теплового пробоя
Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряжения при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рисунке 2.6, а.
Рисунок 2.6 – Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое:
а) твердый изолятор в электрическом поле, б) график расчета
К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробоя образца. Значение рассеиваемой в диэлектрике мощности определяется выражением
. (2.3)
Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Поэтому при использовании экспоненциальной зависимости 
от температуры после преобразования выражения для рассеиваемой мощности получим:
, (2.4)
где U – приложенное напряжение;
f – частота; 
– относительная диэлектрическая проницаемость (считаем ее не зависящей от температуры);
– тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды;
– температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь;
T – температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала;
– температура электродов;
S – площадь электрода;
h – толщина диэлектрика.
Температура T по всему объему материала, находящегося в поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).
Так как теплопроводность металла электродов за редким исключением на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, будем считать, что теплоотвод из нагревающегося объема производится в окружающую среду через электроды (теплоотводом через торцевую поверхность диэлектрика пренебрегаем). Мощность, отводимую от диэлектрика, выразим с помощью формулы Ньютона:
, (2.5)
где 
коэффициент теплопередачи от диэлектрика – металл электродов.
Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рисунке 2.6, б, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения 
при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи
. При значении приложенного напряжения 
прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры 
, при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если бы по каким-то причинам температура хотя бы немного превысила значение , то ординаты отводимой мощности были бы больше ординат тепловыделения и образец самопроизвольно должен был бы возвратиться в устойчивое состояние при температуре. (Считаем, что никаких внешних источников радиации, способных повысить температуру образца выше 
, нет). Напряжение 
будет не опасным для образца диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. Поэтому начнем увеличивать напряжение и доведем его до такого значения U, при котором прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре T. При значении приложенного напряжения 
, большем U, никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение, при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя . Его можно определить по двум условиям:
(2.6)
. (2.7)
Условие первое справедливо только для граничного режима, тогда как условие второе выполняется для всех случаев устойчивой работы диэлектрика под напряжением.
Приравниваем:
(2.8)
(2.9)
Разделив выражение получим:
. (2.10)
Подставляя предыдущее и решая его относительно U, имеем:
, (2.11)
где K – числовой коэффициент, равный 
, если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ.
Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше ( 
больше), а диэлектрик толще; оно будет меньше при высоких частотах, больших значениях коэффициента диэлектрических потерь , и большом температурном коэффициенте тангенса угла потерь .
Если перегрев диэлектрика обусловлен только потерями на электропроводность, то выражение (2.11) с помощью (2.10) можно привести к виду:
, (2.12)
где 
; 
– температурный коэффициент удельной проводимости.
В реальных условиях явление теплового пробоя протекает сложнее, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика имеется перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.
Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.
Электрохимический пробой.
Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.
Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.
Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено, прежде всего развитием ионизационного процесса в воздушных включениях; ионизация связана с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.
Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.
При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.
Механизм пробоя жидкостей
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.
Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы н твердые частицы. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ. Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям, очищенным от примеси. При высоких значениях напряжённости электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и в газах, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде отдельных мелких капелек, находящихся в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает , (рисунок 2.7). Под влиянием электрического поля сферические капельки воды – сильно дипольной жидкости – поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Рисунок 2.7 – Зависимость электрической прочности от содержания воды в масле
Электрическая прочность подсушенного масла не зависит от температуры в пределах до 80 °С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого числа пузырьков паси внутри жидкости. Наличие виды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессом кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой. Сажа и обрывки волокон искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности жидких диэлектриков. Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет 
МВ/м; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20-25 МВ/м.
Рисунок 2.8 – Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры:
1 – подсушенное масло, 2 – масло, содержащее следы воды
Вопросы к модулю:
1. Электрическая прочность материалов
2. Электрический и тепловой пробой
3. Виды пробоев
4. Механизм пробой газа
5. Закон Пашена
6. Пробой жидких диэлектриков
7. Зависимость электрической прочности от содержания воды в масле
8. Пробой твёрдых диэлектриков
9. Понятие пробоя
3 ТВЕРДАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
Одной из особенностей твердой изоляции является возможность ее теплового пробоя вследствие затрудненного теплоотвода. Поэтому твердые диэлектрики должны обладать малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и хорошей теплопроводностью.
Виды твердых диэлектриков
Неполярные диэлектрики (нейтральные) — вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью. Состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент равен нулю.
Рисунок 3.1 –Строение некоторых неполярных материалов
Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или неуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул.
Таблица 3.1 – Значения дипольных моментов некоторых полярных веществ
| Вещество | Дипольный момент p,.10-30 Кл.м |
| Иодистый калий | 23 |
| Фенол | 5.2 |
| Нитробензол | 5.1 |
| Ацетон | 9.7 |
| Хлорид олова | 17 |
| Вода | 6.1 |
В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация. Если материал является неоднородным, то кроме электронной поляризации в диэлектрике также наблюдается миграционная поляризация.
- полярные диэлектрики (дипольные) – вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры. Состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.
В полярных однородных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Если материал является неоднородным, то в нем также наблюдается миграционная поляризация.
Рисунок 3.2 – Строение некоторых полярных материалов
Сегнетоэлектрики –вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией. Одна из разновидностей материалов, обладающих одновременно и характеристиками диэлектриков и в которых может возникать спонтанная поляризация (явление, связанное со смещением в материале связанных зарядов) при отсутствии внешнего электрического поля. Правда, последнее характерно только в определенном интервале температур. В англоязычных странах сегнетоэлектрики чаще всего называют ферроэлектриками (по аналогии с ферромагнетиками).
Спонтанная поляризация, как уже отмечалось, наблюдается лишь при определенной температуре, когда структура сегнетоэлектрика находится в так называемой «полярной фазе». В нормальных условиях (за пределами температур сегнетоэлектричества) кристаллическая модификация материала находится в «неполярной фазе» и явление спонтанной поляризации не наблюдается. Примечательно, что сегнетоэлектрики могут быть пьезоэлектриками и пироэлектриками (материалами, в которых спонтанная поляризация проявляется независимо от внешних факторов). Также они отличаются от других диэлектриков высокой диэлектрической проницаемостью (физической величиной, характеризирующей диэлектрические свойства материала).
К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, титанат свинца, двойная соль винной кислоты, титанат бария, необат лития и другие. Сегнетоэлектрики, ввиду наличия у них свойств других материалов, широко применяются как пьезоэлектрики, в конденсаторах, датчиках температуры, оптоэлектронике и нелинейной оптике.
Несмотря на то, что спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках возникает при отсутствии внешнего воздействия, ею легко управлять именно внешними факторами – изменением окружающей температуры, внешнего поля и приложенного напряжения
3.2 Резкие различия механизмов поляризации
- электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-не более 3, диэлектрические потери тоже малы;
- ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда;
- доменная поляризация у сегнетоэлектриков – при этом e может достигать 10000-50000, диэлектрические потери значительны особенности на резонансных и повышенных частотах.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 5060; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!