Что такое пробой диэлектрика

Главное свойство веществ, называемых диэлектриками — отсутствие в их объёме отдельных частиц с зарядом, не связанных внутриатомными силами. Вследствие этого диэлектрики не обладают способностью проводить электроток, что определяет их незаменимость в качестве изоляторов, предохраняющих нежелательные контакты в электротехнических устройствах. Однако изоляционные способности теряются при воздействии высокого значения напряжения, которое инициирует пробой — резкий рост тока. Все диэлектрики подвержены пробою. Для жидких, твёрдых и газообразных сред он обусловлен различными физическими механизмами.

Вещества, обладающие диэлектрическими свойствами

Примеры диэлектриков

Первым исследователем, предложившим назвать группу веществ, практически блокирующих электрический ток, диэлектриками, был М. Фарадей (1791–1867 г. г.).

Физик, выделивший диэлектрики в отдельный класс веществ

Идеальный диэлектрик — это вещество, электропроводность которого равна нулю, в противоположность идеальному проводнику, обладающему бесконечной электропроводностью.

Экспериментально измеряемой характеристикой электропроводности для всех материалов является удельное электросопротивление ρ. Условной количественной границей, за которой начинаются диэлектрические материалы, принято значение ρ > 10⁸ Ом·м.

Важной характеристикой для диэлектриков также является тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Идеальным диэлектриком по этому параметру будут материалы с tgδ = 0.

Кроме приведённых выше физических параметров, характеризующих материалы с диэлектрическими свойствами, можно добавить, что согласно квантовой теории твёрдого тела к ним относят вещества с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Представление диэлектрика в рамках зонной теории

Общее понятие пробоя

Электроизолирующие свойства любого материала имеют свои ограничения. Постепенное или резкое увеличение поданного напряжения до некоторого критического значения приводит к переходу диэлектрика в состояние проводника, через который течёт ток. Этот переходной процесс и является пробоем.

Определение пробоя

Напряжение, при достижении которого изолятор становится проводником, называют пробивным U_пр. Величина, характеризующая способность диэлектрического материала противодействовать пробою, получила название электрической прочности Е_пр. пробоя:

Формула электрической прочности

Надежная работа электротехнического устройства возможна при условии, что рабочее напряжение изолятора U_раб значительно меньше U_пр. Отношение U_пр / U_раб — это коэффициент запаса электрической прочности изоляции.

Характеристики пробоя

Виды пробоев

Существует несколько механизмов пробоя, провоцирующих потерю начальных диэлектрических параметров. Сильное электрополе при достижении критической напряжённости вызывает резкий рост (на много порядков) числа свободных заряженных частиц. Это явление и называется пробоем. Все механизмы инициируют образование канала большой электрической проводимости. Физические процессы, провоцирующие пробой диэлектрика, существенно отличаются для разных веществ:

• В твёрдых телах сильное электрическое поле, достигнув критической величины, вырывает валентные электроны атомов с внешних орбит, которые становятся свободными. Ускоряясь в электрическом поле, новые подвижные заряды сталкиваются с атомами, что приводит к преумножению дополнительных свободных электронов.
• В газах изначально всегда присутствует небольшая концентрация свободных электронов за счёт внутренних процессов (радиоактивного распада и фотоионизации). Сильное электрическое поле разгоняет свободные заряды до таких скоростей, когда кинетической энергии частиц становится достаточно, чтобы при столкновении с атомами и молекулами происходила ионизация, увеличивающая число свободных ионов и электронов. Процесс развивается лавинообразно по типу цепной реакции, которая названа в честь британского исследователя Д. С. Таунсенда (1868–1957), первым описавший данный механизм (разряд Таунсенда).

Приведённые примеры показывают, что чаще всего виды пробоев твердых и газообразных диэлектриков являются результатом быстрой (лавинообразной) реакции, в процессе которой свободные заряды генерируют новые заряженные частицы. Для каждого вида диэлектриков (твёрдых, жидких и газообразных) основной вклад в активизацию пробоя дают отдельные механизмы, представленные на картинке ниже.

Виды пробоев

Виды пробоя твёрдых диэлектриков

Основной причиной пробоя твёрдых диэлектриков может быть один из механизмов, представленных на картинке ниже. То есть, в зависимости от материала и условий эксплуатации, практически все известные механизмы могут инициировать электрический пробой твердых диэлектриков.

Основные виды пробоя в твёрдых диэлектриках

Электрический пробой

Пробой такого вида в однородном твердом диэлектрике — это исключительно электронный, лавинообразный процесс, время протекания которого менее 10^-7-10^-4 с. Он не связан с электропроводностью, диэлектрическими потерями и тепловой энергией. Ионизация газовых примесей исключена ввиду их отсутствия.

Для электрического пробоя в неоднородных диэлектриках с газовыми включениями (пузырьками) также характерно быстрое развитие. Пробивная напряженность для данного вида диэлектриков невысокая.

Чем больше толщина изолятора h, тем больше концентрация потенциально слабых участков, газовых вкраплений, что понижает электрическую прочность. Этот параметр изолятора существенно зависит от площади электродов S. Уменьшение площади «работает» на рост электрической прочности вследствие уменьшения числа зон, предрасположенных к пробою.

Низкую электрическую прочность имеют те твердые диэлектрики, которые отличаются высокой пористостью:

• Древесина.
• Бумага без пропитки.
• Мрамор.
• Пористая керамика.

Высокая прочность свойственна:

• Стеклу.
• Слюде.
• Бумаге, пропитанной диэлектрической жидкостью.

Особенности теплового пробоя

Этот пробой диэлектриков обусловлен разогревом изоляции вследствие действия электрополя и диэлектрическими потерями. Он развивается в такой последовательности:

1. При некотором напряжении U_раб в диэлектрике возникают тепловые потери.
2. Происходит повышение температуры изолятора, способствующее увеличению числа свободных зарядов.
3. Электрическая прочность падает до момента окончательного пробоя.
4. Происходит оплавление диэлектрика вплоть до стадии обугливания.

При тепловом пробое U_пр снижается при:

• Увеличении внешней температуры.
• Росте частоты приложенного переменного напряжения U_раб.

Электрохимический пробой

Этот  тип пробоя обусловлен медленными электролитическими процессами, которые развиваются в диэлектрике, находящемся в условиях воздействия внешних факторов (температура,  влажность, электрическое поле), работающих на уменьшение удельного сопротивления.

Этот процесс также называют старением диэлектрика, поскольку, в конечном счёте, он постепенно снижает электрическую прочность и провоцирует пробой при напряжённости поля существенно меньше пробивной, которая фиксируется по результатам предварительных испытаний. Такие процессы старения характерны как для отдельных неорганических диэлектрических веществ (титановая керамика), так и для органических (резина, бумага, пропитанная диэлектрической жидкостью).

Электрохимический пробой развивается достаточно долго вследствие медленного выделения химически активных веществ. В керамиках, в которых присутствуют окислы металлов с непостоянной валентностью (типа TiO₂), такой тип пробоя более вероятен, чем в керамиках на основе окислов бария, кремния, магния, алюминия.

Для данного вида пробоя возрастает значение материала, используемого для электрода. Серебро, активно диффундирующее в керамику, стимулирует механизм электрохимического пробоя в отличие, например, от золота.

Поверхностный пробой

В данном случае пробой возникает в воздухе вблизи поверхности твёрдого диэлектрика, что способствует образованию проводящего канала. Пробойное напряжение зависит от внешних факторов (температуры, давления, влажности). С целью предотвращения возникновения пробоя этого вида поверхность изолятора делают ребристой. Дополнительной защитной мерой может быть замена воздуха диэлектрической жидкостью.

Электрическая прочность некоторых твёрдых диэлектриков представлена в таблице.

Примеры прочности твёрдых диэлектриков

Пробой жидких диэлектриков

Абсолютно чистых жидкостей не существует. В объёме любой диэлектрической жидкости всегда присутствует вода, пузырьки газа и частицы твёрдых веществ. От наличия примесных компонентов зависит, как будет происходить пробой жидких диэлектриков. Например, мелкие капли воды, присутствующие в трансформаторном масле, поляризуются в сильном электрополе и формируют между электродами проводящие каналы, по которым развивается пробой.

Пробой жидких диэлектриков, содержащих газовые пузырьки, объясняется локальным перегревом, формирующим газообразный мостик между электродами.

Механизмы пробоя жидкостей

Чтобы повысить электрическую прочность, жидкость необходимо тщательно очистить от посторонних примесей. Примеры значений электропрочности для технических жидкостей, выполняющих роль диэлектриков в электротехнических устройствах, представлены в таблице.

Примеры прочности диэлектрических жидкостей

Пробой в газообразной среде

Газы являются хорошими изоляторами, но только в слабых электрополях. Они имеют электрическую прочность в пределах 2–3 МВ/м. Пробой в газообразных диэлектрических веществах происходит вследствие резкого увеличения количества электронов, поэтому выделяют такие виды пробоев, как лавинный и лавинно-стримерный.

Механизмы пробоя газов

Когда газообразный диэлектрик попадает под действие внешнего электрополя, частицы с положительным и отрицательным зарядом, находящиеся в нем, начинают перемещаться в направлении, обусловленном их знаком заряда. Во время движения они приобретают дополнительную энергию, а сталкиваясь с молекулами, передают энергию им. В результате от молекул отделяются электроны и они превращаются в ионы, возникает ионизация. Внешне она проявляется свечением газа.

Быстрое распространение ионизации называют явлением стримера. В ионизированной среде образуется два стримера или потока. Один из них состоит из частиц с отрицательным зарядом (электронов), а другой из положительно заряженных частиц (ионов). Стример, состоящий из частиц с положительным зарядом, заполняясь электронами, становится сквозным каналом для газообразной плазмы с чрезвычайно высокой электропроводностью.  Именно по нему проходит ток короткого замыкания. Возникновение тока КЗ — это следствие пробоя, а образование газоразрядного канала является самим пробоем.

Схема лавинно-стримерного механизма

Пробой в газообразной среде наступает, когда ионизируется весь промежуток между электродами. Напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя. Значение напряжения пробоя может меняться в зависимости от вида электрополя (однородное или неоднородное), приложенного напряжения (постоянное, переменное или импульсное), а также от природы газа, его температуры, давления и влажности. Экспериментально установлено, что пробойное напряжение газообразных диэлектриков зависит от произведения давления и расстояния между электродами. Эту зависимость называют законом Пашена.

График, отображающий закон Пашена

Увеличение электропрочности с ростом давления связано с тем фактом, что в единице объема газа, находящегося под большим давлением, увеличивается количество электронов, поэтому сокращается длина их свободного пробега. Из-за этого они не приобретают энергию, необходимую для ионизации, что обусловливает наступление пробоя при довольно высоком напряжении. Если давление уменьшается, длина пробега частиц с зарядом увеличивается и пробой возникает при более низком напряжении.

Видео по теме