Теоретические предпосылки
Многообразие явлений при пробое твердых диэлектриков до сих пор не нашло точного теоретического объяснения. Пробой может быть электрическим, электрохимическим, ионизационным и электротепловым. Электрический пробой, обычно происходить мгновенно ~10-7 -10-8 с и не зависит от температуры (до определенного значения последней) и длительности воздействия напряжения.
Основной физической сущностью процесса является образование в диэлектрике достаточно сильной электронной лавины из небольшого числа начальных электронов под действием большой напряженности электрического поля. Этот процесс обычно сопровождается ударной ионизацией. Относительно правильный порядок значений пробивных напряжений дает квантовая теория, но и она не объясняет все явления, происходящие при пробое. Согласно классической теорий, электрическая прочность в твердых диэлектриках определяется длиной свободного пробега электронов, которой намного меньше, чем в жидких и газообразных диэлектриках. Поэтому электрическая прочность в твердых диэлектриках всегда больше, чем в жидких и газообразных диэлектриках. Из-за малой длины свободного пробега электронов в твердых диэлектриках рост электрической прочности с уменьшением толщины заметен только при очень малых толщинах. Этой закономерностью подтверждается механизм ударной ионизации.
Результаты испытаний по электрическому пробою твердых тел показывают, что назначение пробивного напряжения влияют в основном характер микроструктуры диэлектрика, форма электрического поля и вид напряжения. В твердых диэлектриках однородное поле может быть получено в очень редких случаях. Поле определяется формой электродов и по конфигурацией изоляционных конструкций и искажается за счет посторонних включений. В однородном поле электрическая прочность диэлектрика максимальна. В неоднородном поле электрическая прочность диэлектрика изменяется с увеличением его толщины и пробой происходить при относительно низком напряжениях, чем пробой при однородном поле.
Электрическая прочность твердых технических диэлектриков зависит от их однородности и главным образом от содержания в них газовых включений. Пористые диэлектрики, такие, как мрамор, дерево, непропитанная неплотная бумага, пористая керамика, обладают низкой электрической прочностью. Диэлектрики плотной структуры, такие как слюда, пропитанная бумага, стекло, имеют повышенную электрическую прочность.
Электротепловой пробой обычно развивается у диэлектриков с повышенной электропроводимостью и значительными диэлектрическими потерями. Он развивается медленнее электрического, нужно время, чтобы диэлектрик нагрелся. Чем выше приложено напряжение к диэлектрику, тем интенсивнее разогрев, тем быстрее произойдет снижение Епр., а следовательно произойдет пробой. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температуры, при которой материал разрушается
( плавится, растрескивается, обугливается ) с чрезмерным возрастанием тока сквозной проводимости или диэлектрических потерь. Значение пробивного напряжения при тепловом пробое характеризует электроизоляционное изделие, а не диэлектрик, из которого оно изготовлено. Это напряжение зависит от нагревостойкости материала, частоты тока, условий охлаждения, температуры охлаждающей среды и др.
Некоторые твердые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью, которая может определяться самой природой диэлектрика, например волокнистые материалы (бумаги, картоны), или появляться в процессе эксплуатации. При наличии газовых включений при повышения напряжения, до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация этих включений, в которых напряженность электрического поля всегда больше , чем в твердой части. Ионизация внутренних воздушных пор приводит к увеличению диэлектрических потерь. Вследствие роста потери за счет ионизации воздушных прослоек может появиться опасность теплового пробоя. Очаги внутренней ионизации в порах действуют разрушающим образом на твердый диэлектрик за счет бомбардировки ионами и электронами, вызывающими эрозию, за счет теплового воздействия и воздействию озона и окислов азота. Так и происходить ионизационный пробой в твердых диэлектриках.
Электрохимический пробой происходит чрезвычайно медленно и объясняется протеканием в диэлектрике различных электролитических процессов, необратимо уменьшающих электрическую прочность диэлектрика. Развитию электрохимического пробоя способствует повышенная температура и высокая влажность окружающего воздуха.
Под воздействием некоторого определенного напряжения диэлектрик теряет свои свойства и происходит его пробой изоляции. Через диэлектрик проходить ток очень большой величины, и в диэлектрике образуется проводящий канал с малым электрическим сопротивлением. В результате пробоя диэлектрик оказывается непригодным к дальнейшему применению. Значение напряжения, приложенного к электродам в момент пробоя, называется пробивным напряжением Uпр(кВ), а соответствующее значение напряженности электрического поля - пробивной напряженностью или электрической прочностью диэлектрика и вычисляется по формуле:
Епр. = U/ h МВ/мм , (1)
где h - толщина материала в месте пробоя, мм.
Для надежной работы диэлектриков их рабочее напряжение должно быть ниже пробивного. Отношение пробивного напряжения Uпр. к номинальному Uн называется коэффициентом запаса электрической прочности. Он устанавливается в зависимости от физико-химических свойств диэлектрика и условий его работы.
Электрическая прочность ряда электроизоляционных материалов может быть повышена пропиткой их маслами, лаками или компаундами.
В настоящей работе определяется электрическая прочность образцов изолирующих материалов в условиях, предусмотренных стандартом, при напряжении промышленной частоты.