Случаи электрического пробоя воздушного промежутка

Пробой воздушного промежутка

Пробой воздушного промежутка является следствием ударной ионизации. Напряженность электрического поля, при которой возникает ударная ионизация, приводящая к образованию электронных лавин, называется начальной напряженностью.

Вследствие различной подвижности электронов и положительных ионов, образующихся под действием ударной ионизации, в промежутке возникает объемный заряд, который искажает электрическое поле. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к промежутку, происходит пробой, причем на пробивное напряжение существенное влияние оказывает степень неоднородности электрического поля.

В случае электродов, образующих близкое к однородному электрическое поле при небольших разрядных промежутках, возникновение ударной ионизации мгновенно приводит к пробою промежутка, то есть пробой воздуха происходит без развития дополняющих пробой процессов. В таких условиях пробивное напряжение совпадает с начальной напряженностью поля.

Для неоднородного электрического поля характерным является наличие трех стадий развития пробоя воздуха. По сравнению с однородным полем начальное напряжение здесь значительно ниже. В результате ударной ионизации в местах с максимальной напряженностью поля возникает коронный разряд (локальная ионизация), сопровождающийся свечением. С повышением напряжения коронный разряд переходит в кистевой, при котором свечение не концентрируется вокруг электрода, а распространяется в виде отдельных пучков, исходящих из одного электрода, но не доходящих до другого. При дальнейшем увеличении напряжения кистевой разряд замыкает оба электрода. Между электродами образуется искра, свидетельствующая о полном пробое воздушного промежутка. Если мощность источника напряжения достаточна, то искра переходит в электрическую дугу. Развитие указанных выше процессов приводит к заметному снижению пробивного напряжения воздушного промежутка по сравнению с однородным электрическим полем при прочих равных условиях.

Электрическая прочность воздушных промежутков зависит не только от степени неоднородности электрического поля, но и от температуры, давления и влажности воздуха. Например, амплитудное значение пробивного напряжения Uпр воздуха при частоте 50 Гц в однородном поле, МВ, определяется по эмпирической формуле:

Наибольшая степень неоднородности электрического поля присуща системам стержень – плоскость и стержень – стержень.

Механизм пробоя воздуха

1

ФИЗИКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛНИЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

В естественных условиях воздух является хорошим изолятором. Это свойство воздуха используют, когда строят воздушные линии электропередач.

Для протекания тока через любой материал необходимо, чтобы в материале были свободные заряды. Самый легкий из них — электрон. Электрон самый быстрый и эффективный носитель электрического тока. Ионы (ионизированые атомы или молекулы) в несколько тысяч раз тяжелее электрона, поэтому их скорость в электрическом поле в сотни раз меньше, чем у электронов.

В обычных условиях в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 электронов и примерно 1000 ионов. В канале молнии плотность электронов увеличивается примерно в 1014 раз. Чтобы лучше ощутить эту огромную цифру, можно привести такое сравнение: мысленно увеличивая радиус атома в 1014 раз, получим шарик радиусом в 10 км

.

Откуда берется такая армада электронов в канале молнии? Ответ простой: надо извлечь электроны из атомов. В самом простом из них, атоме водорода, имеется один электрон, в азоте и кислороде (основных компонентах воздуха) соответственно 7 и 8 электронов. В каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальном давлении имеется 2,6*1019 молекул. Так что электронов хватает, надо только уметь их извлекать из атомов.

Рассмотрим, насколько это сложно. Возьмем атом водорода с одним электроном на орбите. По справочным данным, электрон водорода несет отрицательный заряд

е=

-1,6*10-19 Кл. Это самый маленький заряд в природе. Атом нейтрален, т.к. его ядро содержит положительно заряженный протон с зарядом, равным атому. Радиус атома около 10-8 см. Именно на таком расстоянии электрон вращается вокруг протона. Между ними действует сила притяжения, которую считают по закону Кулона

где ke —

коэффициент пропорциональности, равный для воздуха и других газов 9*109, если заряды представлять в кулонах, а расстояние между ними в метрах. Тогда, учитывая, что
q1 = q2
, получаем

. (1)

Чтобы оторвать электрон от атома, надо приложить такую силу. Эта сила может содержаться в электрическом поле заряда в грозовом облаке.

Обычно пользуются в этом случае характеристикой напряженности электрического поля. Она показывает, сколько вольт действует на единице длины изоляционного промежутка, если к промежутку приложено напряжение U.

Следовательно, ели длина промежутка равна
d
, то

и измеряется в вольтах на метр (В/м)

В весьма примитивных опытах с наэлектризованной расческой было получено напряжение пробоя воздуха 30 кВ/см.

Как известно, напряженность поля действует на заряд с силой

. (2)

Если это заряд электрона q

, то . Вот теперь можно понять, какую напряженность поля надо иметь, чтобы оторвать электрон от атома. Для этого приравняем (1) и (2):

.

Подставляя в эту формулу е=

-1,6*10-19 Кл,
ke
= 9*109,
r
=10-8 см=10-10 м, получим:

/м=1.440.000 кВ /см.

Это фантастическое по уровню электрическое поле! Значит, чтобы вырвать электрон у атома, надо создать такое же внешнее поле.

Как же удается это сделать наэлектризованной расческе? Ведь у неё поле в 50 000 раз меньше!

Весь секрет в механизме отрывания электрона.

Рассмотри этот природный секрет.

Если к воздушному промежутку прикладывать электрическое поле, то электрон будет перемещаться под его действием, при этом сталкиваясь с атомами молекул. Пока скорость электрона мала, столкновения его с атомами являются упругими, и электрон подобно теннисному мячику отскакивает от атома. Картина кардинально меняется, когда электрон настолько ускоряется, что в результате своей кинетической энергии, отданной при ударе, он может выбить электрон из атома. Такой процесс называется ударной ионизацией. В атмосферном воздухе ударная ионизация возникает при напряженности электрического поля примерно 30 кВ/м. Это доказано и теоретически, и экспериментально.

Как было сказано выше, в 1 см3 воздуха существует около 10 электронов. если хотя бы один из низ разгонится до состояния, когда он способен выбить дркгой электрон из атома, появляются уже два свободныз электрона, каждый с энергией, достаточной, чтобы выбить из следующих атомов по 1 электрону каждый, а это уже получается 4 электрона. Далее процесс повторяется, но в каждом последующем случае число электронов удваивается: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 248, т.е процесс образования новых электронов нарастает лавиноообразно. Соответственно, воздух становится все более проводящим.

Наблюдения показывают, что в воздушном промежутке одновременно несколько лавин, при очень высокой напряженности электрического поля их число может быть очень большим. Этот процесс называют электрическим пробоем воздуха.

1

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 867; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Узнать еще:

Электрическая прочность диэлектриков

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 8Следующая ⇒

6.1. Основные расчетные выражения и необходимые пояснения

Электрической прочностью (E

пр) называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой изоляционного промежутка. Напряжение, при котором происходит электрический пробой, называют
«пробивным напряжением» (U
пр).

(6.1)

где h

– толщина диэлектрика (изоляционный промежуток между электродами, разрядный промежуток).

Пробивное напряжение зависит от размера разрядного промежутка. При увеличении промежутка пробивное напряжение возрастает, а электрическая прочность снижается.

Электрическим пробоем диэлектрика называют скачкообразное увеличение электропроводности материала при воздействии высокого напряжения, вплоть до образования электропроводящего плазменного канала. Явление электрического пробоя в газах или жидкостях часто называют «электрическим разрядом», что говорит о разряде емкости через этот канал.

Механизмы развития разряда в газообразных, жидких и твердых диэлектриках различны.

При электрическом пробое большого газового промежутка последовательно развиваются следующие явления.

I. Появление свободного электрона

в газовом промежутке (случайного, из металлического электрода, в результате фотоионизации молекулы газа и т. п.).

II. Разгон свободного электрона электрическим полем до энергии, достаточной для того, чтобы при соударении с нейтральным атомом ионизировать последний (ударная ионизация

).

III. Развитие электронной лавины

как следствие множественных актов ударной ионизации.

IV. Рост стримера

– проводящего плазменного канала, формирующегося из положительных ионов, оставшихся после прохождения лавины, и отрицательных зарядов, втягиваемых в положительную плазму.

V. Преобразование стримера в лидер

за счет термоионизации, вызываемой прохождением емкостного тока по стримеру.

VI. Главный разряд

происходит при замыкании каналом разряда разрядного промежутка.

При малых промежутках процесс пробоя может завершиться на стадиях III (лавинный пробой) и IV (стримерный пробой, искра).

Электрическая прочность газов зависит:

А) от давления

. При увеличении давления уменьшаются расстояния между молекулами. Разгоняющемуся электрону необходимо на более коротком пути разгона (называемого длиной свободного пробега) получить ту же энергию, достаточную для ионизации атома. Эта энергия определяется в первую очередь конечной (в момент соударения) скоростью электрона. Большего ускорения электрон может достичь за счет увеличения действующей на него силы – напряженности электрического поля. Экспериментальная зависимость пробивного напряжения газового промежутка от произведения давления
р
на величину промежутка
h
называется законом Пашена. Минимальное значение пробивного напряжения для воздуха при
ph
= 0,7 Па·м составляет примерно 330 В. Левее указанного значения
ph
электрическая прочность возрастает из-за малой вероятности столкновения электронов с молекулами газа.); кривая Пашена представлена на рис. 6.1

При рh

~ 10 Па·м и более можно пользоваться следующей приближенной формулой для расчета пробивного напряжения:

, (6.2)

где параметры a

0 и
b
0 зависят от сорта газа (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Коэффициенты эмпирической формулы для пробивного напряжения

Здесь предполагается давление p

0 = 101,3 кПа, температура
T
0 = 293 К.

При изменении температуры и давления предыдущая формула модифицируется:

, (6.3)

где ;

Б) от сродства

молекулы газа к электрону, электроотрицательности газа. (Сродство к электрону – это способность некоторых нейтральных атомов и молекул присоединять добавочные электроны, превращаясь в отрицательные ионы. В электроотрицательных газах, состоящих из атомов с высоким сродством к электрону, требуется бльшая энергия разгона электронов полем для образования электронной лавины.)

Электрическая прочность жидкого диэлектрика не связана непосредственно с химическим строением жидкостей. Из-за близкого расположения молекул в жидком диэлектрике механизм ударной ионизации не реализуется.

На значение электрической прочности влияют в первую очередь количество газа в жидкости, состояние и площадь поверхности элект-родов.

Электрический пробой жидкого диэлектрика начинается, как правило, с пробоя микроскопических газовых пузырьков. Из-за низкой диэлектрической проницаемости газа напряженность в пузырьке выше, чем в жидкости, а электрическая прочность газа ниже.

Частичные разряды в пузырьках приводят к росту последних, что в итоге завершается пробоем жидкого диэлектрика.

Электрическая прочность жидкого диэлектрика повышается:

– при очистке от твердых проводящих микрочастиц (сажа, уголь и т. п.);

– сушке жидкости (удалении воды);

– дегазации жидкости (вакууммировании);

– повышении давления Р

.

Для учета давления Р

и площади электродов
S
используется обобщение эмпирических зависимостей в виде
формулы Мартина
.

, (6.4)

где постоянная M

зависит от сорта жидкости и имеет размерность МВ/см. В этом выражении длительность импульса τ следует подставлять в микросекундах, давление – в атм., а площадь электродов
S
– в см2. Постоянная
М
составляет 0,7 МВ/см для гексана и трансформаторного масла, 0,6 МВ/см – для глицерина, 0,5 МВ/см – для этилового спирта, 0,6 МВ/см – для воды (в случае пробоя с катода) и 0,3 МВ/см (в случае пробоя с анода).

Механизмы пробоя твердых диэлектриков зависят от времени воздействия напряжения (с момента подачи до пробоя), определяющего физические процессы, происходящие при этом воздействии. Различают:

– электрический пробой (время воздействия – доли секунды);

– тепловой пробой (время воздействия от секунд до часов);

– пробой под действием частичных разрядов (время воздействия от нескольких часов до года и более).

При электрическом пробое твердого диэлектрика под действием приложенного напряжения разрываются химические связи, и вещество перерабатывается в плазму. Электрическая прочность твердого диэлектрика пропорциональна энергии химических связей.

Причиной теплового пробоя является разогрев диэлектрика, чаще всего за счет диэлектрических потерь, когда мощность потерь превышает мощность, отводимую от диэлектрика.

При повышении температуры увеличиваются электропроводность (за счет увеличения числа носителей) и угол диэлектрических потерь, что приводит к дополнительному росту энерговыделения и снижению электрической прочности.

Частичным разрядом (ЧР) называют разряд, проходящий в какой-либо ограниченной области изоляционного промежутка и не замыкающий весь промежуток. Одним из примеров частичного разряда является коронный разряд в газах в неравномерном электрическом поле, когда стримером пробивается лишь область вблизи электрода с напряженностью поля выше электрической прочности газа (например, у провода высоковольтной линии электропередачи). В твердых телах ЧР – это локальный многолавинный разряд в газовой поре диэлект-рика.

Для возникновения частичного разряда в твердом диэлектрике необходимы два условия:

– наличие воздушного включения, напряженность поля в котором выше, чем в самом диэлектрике;

– напряжение, приложенное к диэлектрику, должно быть достаточным для того, чтобы напряженность поля в воздушном включении превысила пробивную.

При переменном поле, приложенном к диэлектрику, частичные разряды возникают на каждом полупериоде при достижении напряжением пробивного значения. Длительные периодические ЧР химически разрушают диэлектрик, увеличивают диэлектрические потери, что в конечном итоге приводит к пробою диэлектрика.

Для определения напряженности поля, изоляции коаксиального кабеля можно использовать выражение

, (6.5)

где r

– расстояние от оси кабеля до точки в изоляции;
r
2 – радиус внешнего электрода;
r
1 – радиус внутреннего электрода.

⇐ Предыдущая7Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.
Таблица: Свойства твердых диэлектриков

Пробой газообразных диэлектриков в неоднородном поле

Особенности пробоя газообразных диэлектриков в однородном поле.

Поле является однородным, если вектор напряженности поля во всех его точках одинаков. На практике однородное поле встречается крайне редко. Электрическая прочность газов существенно зависит от большого числа разнообразных внешних факторов.

Зависимость электрической прочности газов от давления. Зависимость электрической прочности газа от давления объясняется изменением концентрации молекул в единице объема, приводящему к изменению длины свободного пробега электрона λ

. В области атмосферных давления зависимость
Eпр(р)
является практически линейной и теряет линейность в областях, близких к вакууму.

Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами.При уменьшении расстояния между электродамиEпр

быстро возрастает, что объясняется трудностью формирования разряда в малом промежутке. Электроны не успевают набрать необходимую для ионизации энергию до столкновения с анодом.

Форма электродовсущественно влияет на электрическую прочность газов, что объясняется в первую очередь неоднородностью электрического поля и появлением локальных перенапряжений.

Зависимость электрической прочности воздуха от частоты приложенного напряжения имеет место только в области ультразвуковых частот, радиочастот и СВЧ. В области промышленных частот электрическая прочность газа практически не зависит от частоты напряжения.

Неоднородное электрическое поле возникает между электродами типа стержень — плоскость, типа стержень – стержень, между проводами воздушных линий электропередач. Области с высокой напряженностью электрического поля часто образуются вследствие неоднородности электрического поля, возникающей:

1) При выборе неверных параметров в процессе конструирования

2) В результате загрязнений, возникающих в процессе работы

3) В результате механических повреждений и износа оборудования

На практике мы обычно имеем именно неоднородные электрические поля. Пробою газа в неоднородном поле предшествует возникновение коронного разряда, являющегося фактически неполным пробоем. Коронный разряд — это явление, связанное с ионизацией воздуха в электрическом поле с высокой напряженностью (свечение газов в неоднородном электрическом поле высокой напряжённости). Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряженность поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название). Возникающие разряды вначале не достигают второго электрода. С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой, а затем – в дуговой разряд.

Условия возникновения короны и пробоя газа в неоднородном поле зависят от полярности напряжения, приложенного к стержневому электроду. При положительной полярности стержневого электрода корона появляется при более низких напряжениях. Увеличение влажности пробивное напряжение воздушного промежутка возрастает.

На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определенным образом расположенных проводов).

Высоковольтные конденсаторы.

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

Основные понятия о пробое

Лабораторная работа № 7

По дисциплине «Материаловедение»

На тему: «Определение электрической прочности газообразных диэлектриков».

Преподаватель:

Белянов А.В.

Цель работы:

1. Экспериментальное исследование особенностей пробоя газообразных диэлектриков в однородном и неоднородном электрических полях.

2. Изучение электрической прочности газообразных диэлектриков в однородном и неоднородном электрических полях.

Вопросы:

1. Как происходит процесс электропроводности в газообразных диэлектриках?

2. Почему диэлектрики теряют электрическую прочность? Какие параметры характеризуют пробой? Поясните механизм пробоя воздуха.

3. Что представляют собой процессы электрического, электротеплового, электрохимического и ионизационного пробоя

4. Каковы преимущества газообразных диэлектриков перед остальными видами электроизоляционных материалов.

5. Что называют поляризацией диэлектрика. Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие замедленными? Установите взаимосвязь между видами поляризации и механизмом диэлектрических потерь?

6. Одинаково ли будет изменяться пробивное напряжение воздуха, если производить его нагревание: а) при постоянном давлении; б) при постоянном объёме.

7. Как влияет давление газа на его электрическую прочность и ионизационные потери?

8. Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрическом поле? Каким образом в газе можно создать однородное поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает?

9. В каких электротехнических устройствах в качестве диэлектрика используется воздух? Объясните, почему в качестве электроизоляционных материалов используются другие газы? Приведите примеры.

10. Какое влияние на величину электрической прочности воздуха оказывает форма электродов?

11. При каких условиях возникает самостоятельный разряд газа?

12. При каких условиях для электроизоляционных материалов соблюдается закон Ома ?

13. Изобразите графически зависимость напряжения пробоя воздуха от расстояния между электродами при постоянном давлении. Как изменится вид графика, если давление станет меньше первоначального ?

14. Изобразите графически зависимость напряжения пробоя газа от давления при различных расстояниях между электродами.

15. Как возникает и протекает электротепловой пробой? От каких факторов зависит величина пробивного напряжения при электротепловом пробое?

16. Как зависит пробивное напряжение от частоты приложенного напряжения и температуры окружающей среды?

17. Какими процессами обусловлено возникновение ионизационного пробоя? Для каких диэлектриков он характерен?

18. Какими факторами объясняется причина перехода электрического пробоя в область теплового пробоя?

19. Как изменяется пробивное напряжение воздуха на границе с твердым диэлектриком?

Отчёт должен содержать:

1. Принципиальную схему лабораторной установки

2. Таблицы результатов испытаний: 1, 2, 3.

3. Графики зависимости Uпр=f(h) и Епр=f(h) для воздуха в однородном и неоднородном электрическом поле

4. Выводы

Основные понятия о пробое

Диэлектрик, находящийся под действием электрического поля не слишком высокой напряженности, является непроводящей средой. Диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Образование в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется электрическим пробоем. При этом идет процесс разрушения диэлектрика,в результате чего, диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости. В таком состоянии будет находиться не весь образец, а только лишь узкий канал, направленный от электрода к электроду.

При обычных напряжениях вольт — амперная характеристика образца диэлектрика линейная, но с приближением U к Uпр отклоняется от линейной (рисунок 1)

Рисунок 1 – Вольт – амперная характеристика

при пробое диэлектрика.

В момент пробоя ток утечки через диэлектрик резко возрастает, а сопротивление изоляции соответственно снижается, так что dI/dU®¥.

В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие чего образовывается сильно проводящий канал между электродами и образец оказывается короткозамкнутым, напряжение при этом начинает падать, несмотря на рост тока.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Епр.

Пробивное напряжение Uпр электрической изоляции зависит от ее толщины, т.е. от расстояния между электродами: чем толще слой электроизоляционного материала, тем выше пробивное напряжение. Но различные диэлектрики одной и той же толщины имеют отличные значения пробивного напряжения Uп.р.

Электрическая прочность Епр является важнейшим параметром диэлектрического материала, характеризует способность материала противостоять разрушению в электрическом поле и широко используется при расчетах и конструировании электрической изоляции, машин, трансформаторов, кабелей, конденсаторов и других устройств, а также для оценки их надежности и долговечности

Для простейшего случая однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле:

Eпр = Uпр/h (1)

где Eпр – электрическая прочность В/м; МВ/м

Uпр – пробивное напряжение, В;

h – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции Uраб должно быть существенно меньше пробивного напряжения. Отношение Uпр/ Uраб называют коэффициентом запаса прочности.

Электронная библиотека

Общетехнические дисциплины / Материаловедение технология конструкционных материалов / 9.2.4 Пробой диэлектриков

Основные понятия о пробое

Мы рассмотрели различные физические явления, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля не слишком высокой напряженности, когда диэлектрик остается практически непроводящей средой. Однако силы электрического поля при соответствующем увеличении напряженности могут привести к нарушению такого состояния. В результате диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости, но не весь образец, на который подано напряжение, а только узкий канал, направленный от одного электрода к другому.

Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем

. Пробой может быть
полным
, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их,
неполным
, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов, и
частичным
, если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности (в газе или в жидкости), называемый
поверхностным пробоем
.

Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением

().

Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика (или электрической изоляции), линейная при обычных напряжениях (U

), отклоняется от линейной с приближением
U
к
Unp
(рис. 9.13). В момент пробоя ток через диэлектрик резко возрастает, так что . В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает, несмотря на рост тока.

Рис. 9.13. Вольт-амперная характеристика электрической изоляции

Если пробой произошел в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои первоначальные свойства и значение Uпp

(но при условии, что мощность и длительность электрической дуги не были столь значительными, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем его объеме). После пробоя твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого (откуда и название «пробой»), прожженного или проплавленного отверстия чаще всего неправильной формы. Если вновь подать напряжение, то пробой, как правило, происходит по пробитому ранее месту при значительно пониженном напряжении.

В ряде случаев после пробоя диэлектрика в канале пробоя остаются проводящие продукты разложения, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Связанное с образованием проводящих следов («треков») повреждение поверхности твердого диэлектрика поверхностным пробоем называют трекингом

.

Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности

.

Значение Unp

диэлектрика непосредственно связанно со временем приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.

Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции

. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости
Unp
от времени приложения напряжения называют
кривой жизни электрической изоляции
. Пробивное напряжение (
Unp
) растет с увеличением толщины диэлектрика
h
.

Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле вводят понятие напряженности электрического поля, при которой происходит пробой:

. (9.17)

Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью

. Электрическая прочность (
Епр
) является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Пробой газов

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в сильном поле. При увеличении напряженности электрического поля электроны между двумя соударениями приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенном значении напряженности поля. Эта напряженность поля (Е

) называется
начальной напряженностью
.

В некоторых газах (например в кислороде, углекислом газе, парах воды) отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.

Основную ионизацию ведут электроны. В результате, при столкновении с атомами и молекулами они порождают новые электроны. Освобожденные при этом «вторичные» электроны под действием поля, в свою очередь, вызывают ионизацию молекул газа. В результате этого процесса число электронов в газовом промежутке, лавинообразно нарастая, очень быстро увеличивается. Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны

в местах, где напряженность поля достигает критических, значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным перекрытием, возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На значение разрядного напряжения оказывает влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота напряжения, состояние поверхности диэлектрика, давления воздуха.

Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях. Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты. Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде с меньшей длиной свободного пробега (λ

), накопил энергию, достаточную для ионизации.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей.

Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т.е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате, пробой жидкости происходит в неоднородном поле, что, в свою очередь, приводит к снижению электрической прочности жидкости.

Резкое снижение Епр

происходит и при загрязнении жидкости влажными органическими волокнами (бумагой, текстилем), поскольку такие волокна способны образовывать мостики, обладающие повышенной проводимостью. Если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит игловидным продолжением этого электрода, в результате чего уменьшается межэлектродное расстояние и возрастает неоднородность поля. В случае «сухих» волокон мостики имеют высокое сопротивление и в меньшей мере влияют на
Епр
жидкости. Наиболее часто встречающейся примесью в жидких диэлектриках является влага, которая может находиться в растворенном или эмульсионном состояниях.

Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем (нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т.д.). Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический и ионизационный.

Электрический пробой

– это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность (Епр

) твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах – 100 – 1000 МВ/м, что близко к
Епр
сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Значение
Епр
обусловлено главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин). Этот вид пробоя характерен для макроскопически однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Пробой этого вида протекает за время не более 10-7…10-8 с и не обусловлен тепловой энергией. Значение электрической прочности при электрическом пробое, в некоторой степени зависит от температуры и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электротепловой

(
тепловой
) пробой – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Значение пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала, а именно его электрической прочности.

Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, зависит от частоты напряжения, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, электротепловое (пробивное) напряжение зависит от теплостойкости материала. Органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения «электротепловых» пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, хотя бы только вследствие их малой теплостойкости.

Электрохимический пробой

обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т.п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей мере при переменном напряжении.

Ионизационный пробой

– это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажной изоляции). При больших напряженностях поля в воздушных порах происходит ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все эти процессы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению
Епр
.

Как указывалось, в твердых диэлектриках помимо объемного возможен и поверхностный пробой

, т.е. пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции. Так как
Епр
жидкостей и особенно газов ниже
Епр
твердых диэлектриков, а нормальная составляющая напряженности электрического поля непрерывна на границе раздела, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой, в первую очередь, будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. Чтобы не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика. Поверхностное
Uпр
повышают также путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.

Пробой макроскопически неоднородных диэлектриков

Большинству диэлектриков, применяющихся на практике, присущи неоднородности различных видов. Так, например, керамические диэлектрики состоят из нескольких фаз (кристаллической и стекловидной), обладающих разными электрическими свойствами, и имеют большее или меньшее количество пор (воздушных включений). Прессованные и намоточные изделия имеют слоистое строение, их чередующиеся слои также обладают неодинаковыми диэлектрическими свойствами.

Ввиду малых Епр

,
ε
и
γ
газовых включений пористого диэлектрика, находящегося в сильном электрическом поле, в этих включениях возникают («зажигаются») частичные разряды. Именно возникновение этих разрядов часто и является основным процессом, приводящим к пробою пористого диэлектрика (ионизационному пробою).

Для повышения электрической прочности пористых диэлектриков их пропитывают, заполняя поры жидким или твердеющим электроизоляционным материалом с высокой электрической прочностью. Так, для непропитанной кабельной бумаги Епр

= 3…5МВ/м, а для пропитанной компаундом
Епр
= 40…80 МВ/м.

Жидкие диэлектрики.

Также по теме:

КРЕМНИЙ

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана [CH3 (CH2)4CH3]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10-2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.