где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.

Введение

Мы привыкли считать, что в обычных условиях ток передается в проводниках – материалах, имеющих достаточное количество свободных носителей зарядов. К ним мы относим, например, металлы, жидкости. Диэлектрики же в свою очередь ток не проводят, поэтому питание электроприборов осуществляется с помощью металлического кабеля, а вот изоляция сделана из непроводящего токоматериала. Или, например, привычное для нас явление, что воздух не проводит электрический ток. Не прикасаясь к проводнику, находящегося под напряжением, мы можем не опасаться удара электрическим током. На самом деле, существует условие, когда ток также способен проводиться в среде изначально не являющей электропроводной. Общее название таких процессов, приводящих к резкому возрастанию силы тока в неэлектропроводных средах принято именовать пробоем диэлектриков.

Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.

Следствием пробоя является ток короткого замыкания , который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика, в результате которого образуется сквозное проплавленное отверстие. Изделие с «пробитой» изоляцией не подлежит эксплуатации, так как при подаче напряжения произойдет повторно пробой изоляции, но уже при более низком напряжении.

В случае пробоя газообразных или жидких диэлектриков в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства и такой диэлектрик можно использовать вновь.

Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением U_np, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика.

Следовательно, электрическая прочность Е_пр диэлектрика — это минимальное значение напряженности электрического поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять

где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.

Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика – в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:

Электрическая прочность зависит в первую очередь от:

1. степени однородности образца (у твердых диэлектриков — от количества и размера пор, у жидких — от частиц нерастворенной примеси, у воздуха — от микрокапель влаги);

2. химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами);

3. частоты и времени приложения напряжения;

4. давления;

5. влажности и т. д.

На сегодняшний день нет теории, которая учитывала бы одновременное влияние всех указанных факторов на механизм пробоя и с помощью которой можно было бы аналитически определить Епр любого диэлектрика. Поэтому для всех диэлектриков Е_пр определяют экспериментально. Наиболее хорошо изученным является механизм пробоя воздуха.

Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) берется всегда ниже, чем U_np изоляции. Отношение U_np/U_paб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.

Природа вещества определяет механизм пробоя. Так, пробой газов обусловлен чисто электрическими процессами – электронной и фотонной ударной ионизацией. Для них характерен электрический пробой. В жидких диэлектриках пробой происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Одним из главенствующих факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Так же и пробой твердых тел, который может происходить в результате электрических и тепловых процессов, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

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.

Различают пробой полный — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому (рис. 5.1, 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.

При совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях, пробой может произойти не сквозь толщу одного из них, а по границе раздела фаз (см. рис. 5.1, б). Такой пробой называют поверхностным (поверхностным разрядом, или поверхностным перекрытием). Практически чаще всего изоляционная среда состоит из твердого диэлектрика и воздуха. В этом случае разряд происходит вдоль поверхности твердого диэлектрика в прилегающих слоях воздуха, и напряжение поверхностного разряда U_р будет ниже, чем U_пр воздуха (U_пр>U_р).

Пробой газов

Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воздуха.

В результате воздействия внешнего ионизирующего излучения воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электрического поля эти заряженные частицы дополнительно приобретают направленное движение — дрейф. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы. Кроме того, при электронной ударной ионизации (см.ниже) отщепляемый от молекулы электрон отталкивается от нее ионизирующим электроном, облегчая условие ионизации.

В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следующему. Свободный электрон (обычно это n свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по направлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля

где е — заряд электрона; — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напряженность электрического поля (фактически это градиент потенциала поля на участке К).

Если в момент столкновения электрона с нейтральной молекулой его добавочная энергия W будет равна или больше энергии ионизации W_и данной молекулы (W>W_и, то произойдет ее расщепление на положительный ион и электрон, т. е. произойдет электронная ударная ионизация (она имеет место только в сильных электрических полях).

Энергия ионизации с каждым последующим электроном, отрываемым от молекулы (атома), возрастает, особенно значительно при переходе на последующий электронный слой (см.гл.1.4). Поэтому энергетически выгоден однократный акт ионизации молекулы (атома), а не многократный.

После первого акта электронной ударной ионизации уже два (2п) электрона, разгоняясь в поле, будут ионизировать молекулы. Если в момент их «соударения» с молекулами W >W_и, то образуются четыре свободных электрона, при последующем акте — 8, затем 16 и т. д.

В направлении анода со скоростью, примерно равной (1—3)-10⁶ м/с, начнет прорастать электронная лавина аналогично снежной лавине с гор (рис. 5.2, АБ). Электронная ударная ионизация для каждого газообразного диэлектрика начинается при определенной напряженности поля, величина которой зависит от давления, температуры и частоты напряжения. Эта напряженность поля называется начальной напряженностью.

Кроме электронной ударной ионизации, важная роль при пробое принадлежит фотоионизации. Если при соударении электрона с молекулой W электрона окажется меньше, чем W_и данной молекулы, то она не ионизирует. Получив добавочную энергию W, молекула переходит в возбужденное состояние (один из ее валентных электронов перейдет на более высокий энергетический уровень). Это состояние молекулынеустойчивое, и спустя примерно 10^-8с электрон возвратится на прежний энергетический уровень, а молекула излучит квант энергии в виде фотона. Фотоны, двигаясь со скоростью на два порядка большей (с_ф=3×10⁸ м/с), чем электронные лавины, значительно опережают последние. «Столкнувшись» с нейтральной молекулой, фотон ее ионизирует, если энергия, приобретенная молекулой, будет равна или больше ее энергии ионизации W_и. Этот процесс называется фотоионизацией. Если энергия фотона окажется меньше W_и молекулы, то фотоионизации не произойдет. Получив энергию фотона, молекула перейдет в возбужденное состояние. В следующий момент молекула возвратится в нормальное состояние, излучив фотон. Этот процесс может повториться многократно, пока фотон не поглотится молекулой воздуха, имеющей W_иравную или меньшую энергии фотона.

Образовавшийся в результате фотоионизации электрон, двигаясь к аноду и сталкиваясь с нейтральной молекулой, ионизирует ее, порождая новую, «дочернюю» лавину, находящуюся далеко впереди основной лавины (см. рис. 5.2). Фотоны, испускаемые лавинами, далеко вперед обгоняя их, зарождают все новые и новые дочерние лавины. Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое (см. рис. 5.2, СД). При этом если электронные лавины распространяются прямолинейно, то стример — зигзагообразно.

Одновременно с ростом электроотрицательного стримера начинает образовываться поток из положительных ионов, концентрация которых особенно велика вблизи анода. Положительные ионы движутся в обратном направлении, образуя электроположительный стример (рис. 5.3), который перекрывает пространство между анодом и катодом. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, выбивают электроны, называемые «вторичными». Происходит эмиссия электронов из катода. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы. Электропроводность этого канала очень высока, и по нему устремляется ток короткого замыкания I_кз.

Из вышесказанного следует, что электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от значений W_ииW, при этом W, приобретаемая электронами под действием поля, в свою очередь, зависит от Е и ℷ (см. формулу (5.2)). Чем больше энергия ионизации W_и молекул диэлектрика и меньше средняя длина свободного пробега электрона ℷ, тем выше электрическая прочность. Значения W_ииℷ зависят от природы диэлектрика, а ℷ, кроме того, и от его состояния (температуры,давления). Поэтому введение в состав молекул газообразных диэлектриков атомов более электроотрицательных элементов (F, Cl) приводит к возрастанию W_и газа, а увеличение давления и снижение температуры — к уменьшению ℷ; Е_пр газа при этом возрастает.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой.

Рассмотрим явление пробоя газа в однородном электрическом поле. Однородность или неоднородность поля обеспечивают электроды, между которыми помещается электроизоляционный материал. Существуют следующие виды электродов:

1. Плоские электроды с закругленными краями;

2. 2 Сферы;

3. Игла – игла;

4. Игла – плоскость;

5. Плоскость – плоскость;

6. Провод – провод.

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: