Файл: Конспект лекций спбгэту лэти, 2021 г. 6 Пробой твердых диэлектриков, газов и жидких диэлектриков.pdf

Интенсивность теплоотвода во многом зависит от формы и габаритных раз- меров диэлектрика, а также условий его эксплуатации. Поэтому пробивная напря- женность при тепловом пробое в большей мере характеризует свойства конкрет- ного изделия, чем материала, из которого оно изготовлено. Для теплового пробоя характерно уменьшение ????
пр с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлек- трика в электрическом поле (при относительно малом ????) и увеличением толщины изолятора.
Чтобы объяснить закономерности теплового пробоя, выполним расчет ????
пр для наиболее простого случая. Пусть тонкая пластина однородного диэлектрика заключена между двумя плоскими электродами, имеющими одинаковую площадь
???? и создающими однородное электрическое поле (рис. 4.59, а).
Рисунок 4.59 – Пояснения к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое:
а – модель теплоотвода; б – температурные зависимости мощностей потерь
и теплоотвода; ????
1
< ????
2
< ????
3
К электродам приложено переменное напряжение частотой ????, под действием которого диэлектрик разогревается в пространстве между электродами. Как пока- зывает формула (4.58), выделяемая мощность пропорциональна квадрату напря- жения. Тепловой пробой может возникать лишь в условиях, когда диэлектриче- ские потери возрастают с температурой. Во многих случаях эту температурную зависимость можно аппроксимировать экспоненциальной функцией вида tgδ = tgδ
0
exp[α(???? − ????
0
)],
(4.78) где tgδ
0
– тангенс угла потерь в диэлектрике при температуре окружающей среды
????
0
;
α – температурный коэффициент потерь, который можно определить экспери- ментальным путем при малых напряжениях.

Подставив формулу (4.78) в выражение (4.58), для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, получим
????
а
=
????
2
ε????????tgδ
0
exp[α(???? − ????
0
)]
1,8 ∙ 10 10
ℎ
,
(4.79) где ???? – приложенное напряжение; ε – относительная диэлектрическая проницае- мость; ???? – температура материала в пространстве между электродами; ????
0
– тем- пература окружающей среды; ℎ – толщина диэлектрика.
Предполагается, что в рабочем объеме диэлектрик разогревается однородно, а теплоотвод во внешнюю среду осуществляется главным образом через металли- ческие электроды. Возможным перепадом температуры по толщине листа можно пренебречь, если эта толщина достаточно мала. По этой же причине не учитыва- ется охлаждение через боковую поверхность рабочего объема. С учетом указан- ных допущений мощность теплоотдачи ????
т от диэлектрика в соответствии с зако- ном Ньютона будет определяться выражением
????
т
= 2σ????(???? − ????
0
),
(4.80) где σ – суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика в окружающую среду.
На рис. 4.59, б приведены температурные зависимости диэлектрических по- терь при трех различных напряжениях. Если на диэлектрик воздействовать напря- жением ????
1
, то в результате разогрева за счет диэлектрических потерь его состоя- ние придет в точку ????, которой соответствует устойчивое тепловое равновесие.
Случайное повышение температуры относительно значения ????
1
вызовет смещение равновесия в сторону усиления теплоотвода, поэтому диэлектрик будет охла- ждаться до тех пор, пока его состояние снова не придет в точку ????. Таким образом, напряжение ????
1
является безопасным для диэлектрика, если разогрев до темпера- туры ????
1
не приводит к деградации материала, т. е. к необратимым изменениям его свойств и структуры.
При напряжении ????
2
состоянию теплового равновесия отвечает точка
????, од- нако такое равновесие характеризует неустойчивый тепловой режим. Незначи- тельная флуктуация температуры может привести к тому, что потери превысят теплоотвод, и тогда начнется прогрессирующий разогрев материала. При напря- жении ????
3
> ????
2
теплового равновесия вообще не существует, поэтому неизбежно лавинообразное повышение температуры рабочего объема, которое при отсут- ствии ограничений нарастающего электрического тока заканчивается тепловым

разрушением диэлектрика. Отсюда следует, что напряжение ????
2
является крити- ческим и его можно принять за напряжение теплового пробоя. Для расчета ????
пр воспользуемся следующими двумя условиями, определяющими критический теп- ловой режим:
????
а
(????
кр
) = ????
т
(????
кр
),
(4.81) кроме того, при ???? = ????
кр
????????
а
????????
⁄
= ????????
т
????????
⁄
(4.82)
Используя выражения (4.79) и (4.80), получим:
????
пр
2
ε????????tgδ
0
exp[α(????
кр
− ????
0
)]
1,8 ∙ 10 10
ℎ
= 2σ????(????
кр
− ????
0
);
(4.83)
α????
пр
2
ε????????tgδ
0
exp[α(????
кр
− ????
0
)]
1,8 ∙ 10 10
ℎ
= 2σ????.
(4.84)
Деление выражения (4.83) на (4.84) приводит к следующему результату:
1 α
⁄ = ????
кр
− ????
0
(4.85)
Подставляя формулу (4.85) в уравнение (4.84) и решая его относительно ????
пр
, найдем
????
пр
= 1,15 ∙ 10 5
√
σℎ
αε????tgδ
0
,
(4.86) где все величины, имеющие размерности, следует выражать в единицах СИ.
Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя тем выше, чем меньше потери tgδ
0
, слабее их температурная зависимость (α меньше) и чем лучше теплоотвод (σ больше). Значение ????
пр возрастает также с увеличением толщины диэлектрика, однако эта зависимость, как видно из формулы (4.86), имеет сублинейный характер, что отличает тепловой пробой от электрического.
В рамках рассматриваемой модели отмеченную особенность можно объяснить тем, что с увеличением толщины диэлектрика пропорционально ей возрастает разогреваемый объем, а поверхность теплоотвода остается практически неизмен- ной.
В общем случае напряжение теплового пробоя несколько уменьшается с ро- стом частоты. Если же потери в диэлектрике определяются в основном потерями на электропроводность, произведение ????tgδ
0
при изменении частоты не изменя- ется.

При перегреве диэлектрика, обусловленном только потерями на электропро- водность, выражение (4.86) с помощью формул (4.69) и (4.51) можно привести к виду
????
пр
= 0,86√σℎ (α
γ
γ
0
)
⁄
,
(4.87) где α
γ
– температурный коэффициент удельной проводимости диэлектрика;
γ
0
– удельная проводимость при температуре ????
0
Следует отметить, что температура ????
кр
, соответствующая неустойчивому тепловому режиму, в некоторых диэлектриках может очень незначительно отли- чаться от температуры окружающей среды. Например, у изоляторов из радиофар- фора α
ρ
= –0,07 К
–1
, и в соответствии с выражением (4.85) допустимый перегрев материала за счет потерь составляет ????
кр
− ????
0
= 14 К.
При изменении условий эксплуатации диэлектрика может изменяться и ме- ханизм пробоя. Если при кратковременном приложении напряжения пробой, как правило, развивается по лавинному механизму, то при увеличении длительности воздействия поля он превращается в тепловой (рис. 4.60, а).
Рисунок 4.60 – Изменение напряжения пробоя твердых диэлектриков в зависимости
от длительности воздействия поля (а) и температуры окружающей среды (б):
I – область электрического пробоя; II – область теплового пробоя
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при тепловом про- бое приблизительно выполняется соотношение
????
пр
2
τ = ????????????????????,
(4.88) где τ – длительность импульса прикладываемого напряжения.
Чем больше τ, тем больше энергии выделяется в диэлектрике, тем меньше напряжение пробоя, т. е. напряжение, при котором наступает критический тепло- вой режим.
Аналогичная трансформация механизма пробоя происходит при изменении температуры окружающей среды (рис. 4.60, б). При низких ????
0
диэлектрические потери малы, поэтому тепловые процессы не играют определяющую роль. В этих

условиях пробой протекает по лавинному механизму, причем некоторое возрас- тание пробивного напряжения с ростом ????
0
обусловлено сокращением длины сво- бодного пробега электронов.
По мере нагревания окружающего пространства диэлектрические потери возрастают, и выше температуры ????
01
электрическая прочность изолятора опреде- ляется перегревом рабочего объема. В соответствии с выражениями (4.78) и (4.86) значение ????
пр при тепловом пробое экспоненциально понижается по мере возрас- тания температуры ????
0
Электрохимический пробой обусловлен химическими реакциями, проте- кающими под действием электрического поля в объеме и на поверхности твер- дого диэлектрика и приводящими к необратимому ухудшению его свойств. Это явление принято называть электрическим старением материала. Одной из фун- даментальных причин электрического старения является ионная электропровод- ность, которая связана с переносом массы и приводит к постепенному изменению химического состава вещества. При электрохимическом пробое электрическая прочность диэлектриков оказывается существенно меньше, чем при тепловом, а тем более при электрическом пробое. Именно эта форма пробоя во многих слу- чаях определяет надежность электрической изоляции.
Время развития электрохимического пробоя называется временем жизни ди- электрика. Оно может составлять от десятков минут до многих месяцев и тем меньше, чем больше величина приложенного напряжения. Электрическое старе- ние особенно заметно при воздействии постоянного напряжения и в меньшей сте- пени проявляется в переменных полях. При высоких напряженностях время жизни диэлектриков уменьшается с ростом температуры, причем эта зависимость обычно имеет экспоненциальный характер. Электрическому старению подвер- жены как органические, так и неорганические диэлектрики, хотя механизмы ста- рения этих материалов существенно различаются.
Среди неорганических диэлектриков следует выделить различные виды ти- тансодержащей конденсаторной керамики (на основе TiO
2
,
CaTiO
3
,
SrTiO
3
и др.).
Необратимые явления в этих материалах связывают с восстановительными про- цессами, которые инициируются постоянным электрическим полем. Восстанов- ление происходит путем выхода атомов кислорода из узлов кристаллической ре- шетки на поверхность твердой фазы, в результате чего образуются анионные ва- кансии. Такой переход наиболее вероятен вблизи всякого рода дефектов – тре- щин, пор, границ зерен. Анионные вакансии захватывают электроны и становятся

донорными центрами. В результате резко увеличивается электронная проводи- мость материала, которая способствует его прогрессирующему разогреву.
В органических полимерах старение происходит главным образом в пере- менных полях за счет частичных разрядов в газовых включениях, которые явля- ются распространенным видом дефектов высоковольтной полимерной изоляции.
Диэлектрическая проницаемость газа меньше, чем у полимера, поэтому в пере- менных полях газовые поры оказываются электрически более нагруженными, чем полимерная основа. К тому же пробивная напряженность газа гораздо меньше электрической прочности полимеров. Отсюда следует, что при повышении напря- жения разряды в газовых включениях будут возникать задолго до электрического пробоя полимера. Частичными эти разряды называют потому, что они не закора- чивают полностью электроды. В результате образования плазмы напряжение на газовом промежутке падает до нуля и разряд прерывается. Однако после восста- новления электрической прочности газа разряд загорается вновь.
Разрушительное действие частичных разрядов на полимер обусловлено мно- гими факторами, среди которых можно выделить окисление материала, его хими- ческое разрушение активными продуктами разряда (например, озоном или актив- ными оксидами азота), электронную бомбардировку поверхности пор, тепловое воздействие перегретого газа и др.
Поверхностный пробой
При испытании и эксплуатации твердых диэлектриков с высокой электриче- ской прочностью может наблюдаться явление поверхностного пробоя, под кото- рым понимают пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлек- трика. В случае поверхностного пробоя электрическая прочность твердого ди- электрика не нарушается, однако образование проводящего канала на поверхно- сти существенно ограничивает рабочие напряжения изолятора.
Значение напряжения поверхностного пробоя во многом определяется кон- фигурацией электродов, габаритными размерами и формой твердого диэлектрика.
Если изолятор эксплуатируется на воздухе, то напряжение поверхностного про- боя зависит от давления, температуры, относительной влажности воздуха, ча- стоты электрического поля. В некоторых конструкциях напряжение поверхност- ного пробоя может быть даже ниже напряжения пробоя газа в тех же условиях.
Одной из причин подобного эффекта является искажение однородности электри- ческого поля, вызываемое перераспределением зарядов в адсорбированной

пленке влаги. В результате смещения ионов по поверхности твердого диэлектрика сильно возрастает напряженность поля у электродов.
Чем резче выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем сильнее па- дает поверхностное пробивное напряжение в условиях повышенной влажности.
Однако влияние влажности воздуха на это пробивное напряжение слабо сказыва- ется в радиочастотном диапазоне, когда поверхность диэлектрика подсушивается благодаря повышенным диэлектрическим потерям в адсорбированной пленке.
Для предотвращения поверхностного пробоя необходимо по возможности увеличивать длину разрядного пути вдоль поверхности твердого диэлектрика.
Этому способствует создание ребристой (гофрированной) поверхности изолято- ров, проточка разного рода канавок, изготовление конструкций с утопленными электродами (рис. 4.61).
Рисунок 4.61 – Схемы конструкций керамических изолятора (а) и конденсатора (б)
с повышенным напряжением поверхностного разряда
В конденсаторах для повышения рабочих напряжений оставляют неметалли- зированные закраины диэлектрика. Повышение рабочих напряжений достигается также сглаживанием неоднородностей электрического поля путем изменения формы электродов или благодаря оптимизации конструкции изолятора. Анало- гичный эффект достигается при нанесении на поверхность изолятора полупрово- дящих покрытий или диэлектрических пленок с повышенной диэлектрической проницаемостью. Полупроводящие покрытия снижают напряженность поля вблизи кромки электродов при действии постоянного напряжения. Диэлектриче- ские пленки с повышенной ε играют ту же роль в переменных полях.
Эффективной мерой борьбы с поверхностным пробоем является замена воз- духа жидким диэлектриком, например трансформаторным маслом. Как известно, многие жидкости обладают более высокой электрической прочностью, нежели газы. Кроме того, повышенная по сравнению с воздухом диэлектрическая прони- цаемость жидкостей способствует снижению напряженности поля на поверхно- сти твердого диэлектрика. Поэтому погружением изолятора в жидкий диэлектрик

можно добиться существенного повышения предельных рабочих напряжений. Та- кой же эффект достигается путем герметизации электрической изоляции ком- паундами с высокой электрической прочностью.