ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Тепловой пробой. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается теп­ловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в элект­рическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряже­ние, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды. Кроме того, «электротепловое» пробивное напряжение зави­сит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения «электротеп­ловых» пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, кера­мика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагрево­стойкости.

Как показано на рис. 4-10, электрическая прочность при тепло­вом пробое уменьшается с ростом температуры.

Рассмотрим методику упрощенного расчета пробивного напряже­ния при тепловом пробое. Пусть пластинка однородного диэлектрика, обладающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рис. 4-11. К электродам от достаточно мощного источника переменного тока прикладывается напряжение, которое можно увеличивать до пробивного. Механизм теплового пробоя (см. рис. 4-10) наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобла-

Температура по всему объему материала, находящемуся в элект­рическом поле между электродами (краевым эффектом пренебре­гаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теп­лопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое до-пущение).

Так как теплопроводность металла электродов за редким исклю­чением на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлект­рика, будем считать, что теплота из нагревающегося объема его пере­дается в окружающую среду через электроды.

В общем случае тепловой пробой — более сложное явление, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем приле­гающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам на­пряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопро­водность материала электродов. Все это способствует пробою образ­цов при более низких напряжениях, чем получаемые из прибли­женного расчета.

Более строгое рассмот­рение механизма теплового пробоя при постоянном и переменном напряжениях для одномерного потока те­плоты через электроды вы­полнено В. А. Фоком и Н. Н. Семеновым. Формулы их пригодны для изделий простейшей конфигурации, в частности для тонких пластин или полых цилиндров с большим отношением длины к диаметру (при радиальном поле). При этом считается, что электроды охваты­вают всю площадь, перпендикулярную к потоку теплоты, а диэлектрические по­тери увеличиваются с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Уменьшение электрической прочности с ростом толщины в данном случае объяс­няется ухудшением теплоотвода от внутренней области диэлектрика.

Электрохимический пробой. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусло­вливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопро­вождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окси­дов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, по­скольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей оксиды металлов переменной валентности (например, ТЮа), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из оксидов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих орга­нических материалов. Электрохимический пробой во многом зависит от материала электродов.

Вопрос 13

Поиск по сайту: