Количество отводимого тепла определяется равенством

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5 - 10-8 с.

Е_пр 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 Е_пр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 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 U_пр от влияния различных факторов. Для тепла, выделяющегося в диэлектрике, имеет место выражение

где:
- напряжение, приложенное к образцу диэлектрика;
- частота приложенного напряжения;
- электрическая емкость образца;
тангенс угла диэлектрических потерь.

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то

и - постоянные зависящие от природы диэлектрика;
температура окружающей среды (электродов);
температура диэлектрика

где:

суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду;
S- площадь электрода.

S- площадь электрода.

Из графического представления зависимости Q₁ и Q₂ от температуры видно, что при U₁ и T₁ будет устойчивое тепловое равновесие Q₁=Q₂, при U₂, T₂ и U₁, T₃ - состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой. Видно, что U₃=U_пр.

Из условия теплового равновесия:

,

где Т_кр соответствует температурам Т₂ (для напряжения U₂) и Т₃ (для напряжения U₁).

Электротепловой пробой

Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2-10^-3 с при Е_пр около 10 МВ/м.

Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача.

Электрическая прочность Е_пр при тепловом пробое уменьшается:

· при увеличении температуры;

· при увеличении времени выдержки образца под напряжением;

· при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (U_пр с увеличением толщины диэлектрика растет не линейно).

Электрохимический пробой

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.

Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газов определяется двумя механизмами - лавинным и лавинно-стримерным, связанными с процессами ударной ионизации электронами и фотоионизацией. Для пробоя газа в постоянном однородном поле (см. рис.) характерна зависимость Е_пр от давления.

Давление 0.1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению.

Е_пр при давлении больше нормального растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации. Возрастание Е_пр при малых давлениях связано с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за малой плотности газа.

Е_пр воздуха в однородном поле растет, как показано на рисунке, с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа.

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например, для воздуха при d=1 см от 30 кВ до 9 кВ.

В неоднородном поле на U_пр влияет также полярность электродов. Так, для электродов с малым радиусом кривизны U_пр при положительной полярности оказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10^-5-10^-8с, наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией* электронов с катода. Электрическая прочность Е_пр при этом достигает 10³ мВ/м.

Примечание *-введение носителей заряда в область,где они являются неосновными

В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер.

На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, к числу которых относятся:

· материал электродов;

· примеси;

· загрязнение жидкости;

· дегазация жидкости и электродов;

· длительность воздействия напряжения;

· скорость возрастания напряжения и его частота;

· температура, давление и др.

В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующим значением (тепловой характер пробоя), в очищенных - амплитудным (электрическая форма пробоя).

Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких так и газообразных сказывается на низких частотах. Увеличение электрической прочности трансформаторного масла происходит при фильтрации и осушке (при частоте 50 Гц - втрое, на частоте 10⁵ Гц - только на 30%).

Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температуры имеется максимум при температурах 30-80 ^оС, высота которого уменьшается с ростом частоты (в пределах 0.4-12 МГц). Кривая тангенса угла диэлектрических потерь при температуре максимума проходит через минимум.

Увеличение давления от 60 до 800 мм.рт.ст. увеличивает пробивное напряжение на 200-300%. Добавка к жидкости частиц вещества с диэлектрической проницаемостью большей, чем у жидкости, приводит к росту тока в несколько раз.

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации, так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действия оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электротермический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называются диэлектриками?

2. Назовите основное свойство диэлектриков

3. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

4. Назовите основные группы видов поляризации и раскройте их

5. Раскройте понятие электрического момента единицы объема диэлектрика

6. Приведите выражения для среднего макроскопического поля в диэлектрике, диэлектрической проницаемости, действующего поля в диэлектрике

7. Приведите уравнение Клаузиуса-Моссотти. Что оно характеризует?

8. Пробивное напряжение и электрическая прочность. Дайте определение электрической прочности

9. Электрический пробой

10. Электротепловой пробой

11. Электрохимический пробой

12. Пробой газообразных диэлектриков

13. Пробой жидких диэлектриков

14. Пробой твердых диэлектриков

Дата добавления: 2014-01-07