Электротехническое материаловедение

Электротехническое материаловедение
Лекция 7


Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, когда разрушаются молекулярные связи. Это явление носит название ПРОБОЯ диэлектрика или нарушения его электрической прочности; значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется ПРОБИВНЫМ напряжением, а значение напряженности электрического поля, соответствующее пробивному напряжению, - ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ диэлектрика. Пробой (длительный или кратковременный ) диэлектрика приводит к потере диэлектрических свойств и образованию канала с высокой электрической проводимостью. Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя. Как правило, пробивное напряжение измеряется в киловольтах.

Е_пр = U_пр / h, (1.8)
где Е_пр - электрическая прочность диэлектрика, кВ/м; U_пр - пробивное напряжение, кВ; h - толщина диэлектрика в месте пробоя, м.
На практике часто пользуются значениями пробивного напряжения, выраженными в мегавольтах, киловольтах или вольтах. Тогда электрическая прочность Е_пр будет выражаться так: 1 МВ/м = 1 кВ/мм = 10⁶ В/м.
Прохождение тока через изоляцию представлено на рисунке 1.17.
Точка “n” на графике рисунка 1.17, для которой dI / dU  , соответствует пробою. Дальнейшие явления в диэлектрике после пробоя определяются характером электротехнического материала и мощностью источника. В месте пробоя возникает искра или дуга, которые могут вызвать оплавление, обгорание, растрескивание или разложение ( для полимеров) как диэлектрика, так и электродов. После снятия напряжения просматривается след в твердом диэлектрике в виде пробитого, проплавленного или прожженного отверстия. Для электрических аппаратов пробой изоляции, как правило, явление аварийного характера, выводящее их из строя и требующее ремонта или замены.

Пробой в газообразных и жидких диэлектриках отличается от пробоя в твердых диэлектриках тем, что в силу подвижности частиц после снятия напряжения пробитый промежуток диэлектрика полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства, т.е. первоначальное значение пробивного напряжения U_пр, при условии, что длительность и величина электрической дуги не были столь велики, чтобы вызвать необратимые изменения в диэлектрике или в токопроводящих частях аппарата.

В большинстве случаев при возрастании толщины h диэлектрика значение уменьшается, а U_пр растет нелинейно. Для надежной работы диэлектрика в любых установках значение рабочего напряжения U_раб должно быть существенно меньше пробивного U_пр. Отношение U_пр / U_раб называется коэффициентом запаса электрической прочности изоляции. Электрическая прочность высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше, чем электрическая прочность жидких и газообразных диэлектриков. Поэтому если расстояние между ближайшими точками электродов по поверхности твердой изоляции ненамного превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а происходит поверхностный пробой - перекрытие изоляции, т.е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного диэлектрика, например воздуха (перекрытие фарфоровых изоляторов).
По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:
- электрический;
- электротепловой;
- электромеханический;
- электрохимический;
- ионизационный.
Для твердых диэлектриков явно выражены четыре вида пробоя:
электрический пробой макроскопически как однородных, так и неоднородных диэлектриков, электротепловой, электрохимический и ионизационный пробой.
В общем случае чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы диэлектрика; он развивается практически мгновенно. Поэтому, если пробой не произошел сразу после приложения электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле длительно. Исключением является напряжение U_примп к пробивному напряжению длительного воздействия называется коэффициентом импульса К_имп для данной изоляции
К_имп = U_примп / U_прдл.
Коэффициент импульса зависит от вида материала изоляции, формы и размеров диэлектрика. Для газов К_имп в неоднородном поле больше при прочих равных условиях.