Материал: Учебное пособие ЭТМ

Атмосферное давление. Зависимость электрической прочности газа от давления определяется кривой Пашена (рис. 4.18):

Рис. 4.18. Зависимость электрической прочности воздуха от атмосферного давления

В правой части графической зависимости, электрическая прочность возрастает в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов, из-за уменьшения расстояния между молекулами газа. В левой части — электрическая прочность возрастает из-за того, что происходит разряжение газа, в результате уменьшается вероятность столкновения электронов с молекулами газа.

Частота электрического поля. На рис. 4.19 приведена зависи-

мость электрической прочности воздуха от частоты.

Рис. 4.19. Зависимость электрической прочности воздуха от частоты электрического поля

Падение электрической прочности с ростом частоты вызвано искажением поля вследствие образования положительных пространственных зарядов из-за малой подвижности положительных ионов, которые не успевают за половину периода достигнуть электродов.

68

Увеличение электрической прочности с дальнейшим увеличением частоты связано с затруднением развития пробоя за очень малое время полупериода.

Влажность. Электрическая прочность сильно зависит от влажности, так как у воды повышенная проводимость.

Температура. Электрическая прочность пропорциональна плотности газа, которая обратно пропорциональна температуре, следовательно, электрическая прочность обратно пропорциональна температуре.

Пробой жидких диэлектриков

Процессы, происходящие в жидкостях, при пробое зависят от степени их чистоты и химического состава.

К чистым жидкостям, полученных в лабораторных условиях, применима теория чисто электрического пробоя, т. е. при высоких значениях напряженностей поля происходит эмиссия электронов из электродов с последующим развитием ударной ионизации молекул жидкости.

Длины свободного пробега электронов в жидкостях меньше, чем в газах, из-за их более высокой плотности, поэтому электрическая

прочность жидкостей выше, составляет значения порядка 50 – 70 ммкВ ,

при малых межэлектродных промежутках электрическая прочность жидкостей может достигать 150 - 250 ммкВ .

В технически чистых жидкостях присутствуют растворимые и нерастворимые естественные и искусственные примеси, снижающие

электрическую прочность до 20 – 25 ммкВ . К естественным примесям

относятся различные типы загрязнений (влага, механические включения и др.) к искусственным преднамеренно внесенные в состав жидкостей антиокислители, стабилизаторы, сорбенты.

69

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, связан с местным перегревом, за счет возникновения частичных разрядов. В месте начала ионизации резко увеличивается температура, что приводит к вскипанию жидкости, при этом увеличивается газовыделение, что приводит к образованию газового канала между электродами. По этому каналу собственно и проходит путь пробоя.

Пробой увлажненных жидкостей связан с формированием мостиков, содержащих эмульгированную воду. Под воздействием электрического поля капли воды приобретают форму эллипсоидов и, ориентируясь по полю, образуют канал с повышенной проводимостью

(рис. 4.20).

Рис. 4.20. Формирование мостика, состоящего из капель воды, в диэлектрической жидкости

Попадание 0,01 % процента воды в диэлектрическую жидкость, уменьшает ее электрическую прочность в 5-6 раз, поэтому жидкий диэлектрик перед применением обязательно подвергается обязательной термовакуумной сушке и дегазации.

Кжидкостям, имеющим высокую электропроводность (содержащих много носителей заряда) применима теория теплового пробоя, так как жидкость разогревается за счет высокого уровня диэлектрических потерь. Рост температуры ведет к уменьшению удельного сопротивления, а, следовательно, к росту тока сквозной проводимости, что

витоге приводит к дальнейшему росту температуры. Этот процесс развивается вплоть до вскипания жидкости с последующим пробоем.

Кфакторам, влияющим на электрическую прочность жидкого диэлектрика, относятся:

70

Химический состав. Электрическая прочность уменьшается с ростом способности жидкостей к диссоциации, т. е. по мере роста полярности их молекул.

Частота приложенного напряжения. Электрическая прочность уменьшается с ростом частоты, что связано с увеличением мощности потерь и разогревом жидкости.

Количество пробоев. При многократных пробоях электрическая прочность жидкости уменьшается из-за образования продуктов деструкции, формирующих электропроводные каналы в межэлектродном промежутке.

Пробой твердых диэлектриков

Различают три основных формы пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой (тепловой) и электрохимический (старение изоляции).

Электрический пробой. Электрический пробой обусловлен ударной ионизацией электронами узлов кристалла или аморфного диэлектрика (атомов, ионов). В результате образуется электронная лавина, и может возникнуть стример. При этом в стадии потери электрической прочности твердый диэлектрик частично разрушается. Время разряда зависит от толщины диэлектрика. При толщинах более 100 мкм скорость разряда составляет 107 – 10 8 м/с.

Такая форма пробоя имеет место при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, а механизм его развития определяется степенью однородности диэлектрика. В однородных диэлектриках (нет газовых включений) практически мгновенно развивается ударная ионизация с непосредственным разрушением структуры диэлектрика. Электрическая прочность этих диэлектриков порядка сотен кВмм . Представителями однородных диэлектриков являются: вакуум-

плотная керамика, кварцевое стекло, фторопластовые пленки и т. д. Электрический пробой неоднородных (технических) диэлектри-

ков с открытой и закрытой пористостью (бумага, картон и т. д.) также отличается быстротечностью, но начинается с пробоя воздушных

71

включений. Электрическая прочность этих диэлектриков сравнима с электрической прочностью воздушных включений. С возрастанием толщины диэлектрика электрическая прочность уменьшается из-за увеличения числа и размеров дефектов.

Электротепловой (тепловой) пробой. Тепловой пробой заклю-

чается в разрушении диэлектрика под действием нагрева вследствие диэлектрических потерь, при этом количество тепла, выделяющееся в единицу времени превышает количество тепла отводимого.

При нарушении теплового баланса создаются условия для возникновения термостарения, что ведет к увеличению диэлектрических потерь, а это ведет к дельнейшему увеличению нагрева и т. д. Таким образом, процесс приобретает лавинообразный характер, что ведет к необратимым изменениям структуры диэлектрика.

Тепловой баланс выполняется тогда, когда выделяемое тепло (Q1) равно отводимому теплу (Q2):

На рис. 4.21 изображены экспоненты тепловыделения Q1 = f(t) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплоотдачи Q2 = f(t).

Рис. 4.21. Графики, поясняющие механизм теплового пробоя твердых диэлектриков:

А— устойчивое тепловое равновесие;

В— неустойчивое тепловое равновесие

72