5 ПРОБІЙ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Явище електричного пробою пов’язане з електронними процесами в діелектрику, що виникають у сильному електричному полі і призводять до раптового (різкого) місцевого зростання щільності електричного струму до моменту пробою. Якщо діелектрик знаходиться в електричному полі і коли його напруженість перевищить критичне значення E > Eкр , то діелектрик
втрачає властивості електроізоляційного матеріалу. Це явище носить назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності. Напруга, при якій відбувається пробій діелектрика, називається пробивною напругою ( Uпр ), а відповідне значення напруженості поля – електричною міцністю діелектрика ( Eпр ).
де h – товщина діелектрика 
5.1 Пробій газів
Зовнішньою ізоляцією в багатьох видах електричних конструкцій (в трансформаторах, конденсаторах, на лініях електропередачі) є повітря. Електрична міцність повітря в нормальних умовах невелика порівняно з Eпр рідких і твердих діелектриків.
У газі тепловий рух іонів при накладанні електричного поля отримує деяку додаткову енергію:
де W – енергія заряджених частинок газу; q – заряд;
Ul – падіння напруги на довжині вільного пробігу електронів l.
При однорідному полі Ul = El, де Е – напруженість поля, тоді:
Енергія заряджених частинок при зіткненні передається молекулам газу. Якщо вона достатньо велика, відбувається збудження атомів і молекул, пов’язане з переходом електронів на більш віддалену від ядра орбіту, або їх розщеплення на електрони і позитивні іони. При цьому умовою іонізації є:
Енергію іонізації Wi часто характеризують іонізаційним потенціалом:
Іонізаційний потенціал для різних газів знаходиться в межах від 4 до 25 В, що відповідає енергії іонізації від 4 ÷ 25 еВ.
При заданих значеннях тиску газу і температури ударна іонізація починається при певному значенні напруженості поля. Ця напруженість поля Е називається початковою напруженістю.
Явище пробою газу залежить від ступеня однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробій. Розглянемо пробій газу в однорідному полі. Однорідне поле можна отримати між плоскими електродами з закругленими краями, а також між сферами великого діаметра при малій відстані між ними. У такому полі пробій настає миттєво при досягненні певної напруги, що залежить від температури і тиску газу. Між електродами виникає іскра, яка потім може перейти у дугу при достатній потужності джерела живлення. На рис. 5.1 показана залежність електричної міцності повітря від відстані між електродами для однорідного поля.
З графіка видно, що при невеликих відстанях між електродами значно збільшується електрична міцність. Це явище пояснюється важкістю формування розряду при малій відстані між електродами.
В неоднорідному полі пробій газу відрізняються від закономірностей в однорідному полі. Неоднорідне поле виникає між проводами ліній електропередач, між електродами з малим радіусом кривизни, між сферичними поверхнями при відстані між ними, яка перевищує радіус сфер. Особливістю пробою газу в неоднорідному полі є виникнення часткового розряду у вигляді корони у місцях, де напруженість поля досягає критичних значень, з подальшим переходом корони в іскровий розряд і дугу при зростанні напруги.
У випадку електродів голка-площина і додатної полярності голки пробій відбувається при меншій напрузі, ніж при протилежній полярності (рис. 5.2). Це пояснюється тим, що іонізація газу при будь-якій полярності на електродах відбувається в районі голки, де існують найбільші значення напруженості електричного поля, і біля неї утвориться «хмара» з позитивно заряджених іонів – молекул. При позитивній полярності біля голки цей об’ємний заряд служить продовженням її і скорочується довжина розрядного проміжку. Позитивний об’ємний заряд відштовхується від позитивно зарядженої голки, однак більш рухливі електрони, що обумовлюють процес іонізації, увесь час встигають його відновлювати, тобто виходить картина «проростання» позитивного об’ємного заряду, зв’язаного з голкою, у бік негативно зарядженої площини. Тому пробій настає при меншій напрузі, ніж у випадку протилежної полярності електродів, коли об’ємний заряд частково нейтралізує та екранує голку з негативною полярністю від площини, зарядженої позитивно (рис. 5.2).
Рисунок 5.2 – Залежність пробивної напруги повітря від відстані між електродами з різною полярністю в неоднорідному полі
Електрична міцність газу досить сильно залежить від його густини (тобто від тиску, якщо температура постійна). При незначних змінах температури і тиску газу пробивна напруга пропорційна густині газу. В цьому випадку для розрахунків пробивних напруг використовується формула:
де Uпр – напруга пробою при певній температурі і тиску;
Uпр0 – напругапробою при нормальних умовах: (t = 20 °С, p = 0,1 МПа);
– відносна густина повітря (за нормальних умов δ = 1) розраховується за формулою:
На рис. 5.3 наведена залежність електричної міцності газу від тиску. При великих значеннях тиску та, відповідно, підвищеній щільності газу відстань між молекулами менша, тому і довжина вільного пробігу електронів теж зменшується, і, згідно з умовою (5.4), для того, щоб відбувся пробій, напруженість поля має бути збільшеною.
Рисунок 5.3 – Залежність електричної міцності газу від тиску
При зменшенні тиску спочатку спостерігається падіння електричної міцності, як видно з рисунка, коли тиск доходить до певної межі, нижчої від атмосферного тиску, розрідження газу досягає високого ступеня, електрична міцність зростає (це використовують у повітряних вимикачах). Таке зростання пояснюється зменшенням кількості молекул газу в одиниці об’єму при сильному розрідженні та, відповідно, зниженням імовірності зіткнення електронів з молекулами. У цьому випадку електрична міцність досягає достатньо високих значень. Це явище використовують для конструювання вакуумних вимикачів.
Як діелектрик повітря має такі позитивні властивості: швидко відновлює свою електричну міцність після пробою, незначно змінює діелектричну проникність, діелектричні втрати повітря практично дорівнюють нулю.
Негативні властивості повітря як діелектрика: погана теплопровідність, низька електрична міцність, різка її зміна біля поверхні твердого діелектрика ( Eпр = 2,19...2,27 кВ/мм), здатність зволожуватись, створювати оксиди, підтримувати горіння. Електрична міцність повітря не є постійною величиною і залежить від його тиску, відносної вологості та ступеня однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробій.
5.2 Пробій рідких діелектриків
Рідкі діелектрики відрізняються більш високою електричною міцністю, ніж газоподібні. Наявність домішок в рідких діелектриках призводить до зниження їх електричної міцності і викликає труднощі для створення точної теорії пробою цих речовин. Чисті рідкі діелектрики отримати важко. Постійними домішками є вода, гази, тверді частинки. Пробій рідин, що мають газові включення, пояснюється місцевим перегріванням рідини. Вплив води, що не змішується з трансформаторним маслом при нормальній температурі, коли вода тримається в маслі у вигляді окремих капельок, показано на рис. 5.4. Під впливом електричного поля капельки води (сильно полярної рідини) поляризуються і створюють між електродами ланцюжки з підвищеною провідністю, по яких відбувається електричний пробій.
Рисунок 5.4 – Залежність електричної міцності від наявності води в трансформаторному маслі
На рисунку 5.5 показаний вплив температури на електричну міцність трансформаторного масла з домішками води.
Рисунок 5.5 – Залежність електричної міцності трансформаторного масла від температури ( 1 – висушене масло; 2 – експлуатаційне масло)
Електрична міцність чистого масла від температури не залежить в межах до 80 °С. При 80 °С починається кипіння легких масляних фракцій і поява великої кількості кульок пару в рідині, що призводить до зниження електричної міцності. Наявність води знижує електричну міцність масла при низькій і нормальній температурі. Збільшення Eпр при підвищенні температури обумовлене переходом води зі стану емульсії в стан молекулярного розчину. Подальше зниження Eпр пояснюється процесами кипіння рідини. Збільшення електричної міцності при низьких t °С пов’язане зі збільшенням в’язкості масла і меншим значенням діелектричної проникності льоду у порівнянні з водою. Тверді забруднення (сажа, обривки волокон) спотворюють електричне поле всередині рідини і також призводять до зниження електричної міцності.
Очищення рідких діелектриків, зокрема масел, від домішок помітно підвищує електричну міцність. Так, наприклад, неочищене трансформаторне масло має Eпр » 4 МВ/м; після ретельного очищення електрична міцність масла підвищується до 20 – 25 МВ/м.
5.3 Пробій твердих діелектриків
У сучасній електротехніці використовується велика кількість найрізноманітніших видів твердих діелектриків. Серед них існують матеріали як природного походження (слюда, мармур, азбест, каніфоль), так і штучні (текстоліт, гетинакс, лакотканини, фарфор, синтетичні смоли, пластмаси). Але, незважаючи на таку різноманітність, усі тверді діелектрики підкоряються загальним законам, які визначають їхню електричну міцність.
Найхарактернішою особливістю твердих діелектриків, яка відрізняє їх від рідких та газоподібних, є втрата ними після пробою електроізолювальних властивостей. Порушення електричної міцності твердих діелектриків може бути наслідком пробою як крізь об’єм, так і по поверхні. Пробій по поверхні звичайно називають поверхневим розрядом, або перекриттям діелектрика. Якщо пробій крізь об’єм, в основному, визначається будовою діелектрика, то розряд по його поверхні залежить не лише від властивостей самого матеріалу, а й від стану його поверхні і навколишнього середовища.
Електрична міцність діелектрика залежить від хімічної будови його матеріалу.
Крім хімічної будови на величину Eпр твердих діелектриків впливає й фізична структура. Матеріали неоднорідної будови мають занижену величину Eпр , але, якщо вони просочені електроізоляційними матеріалами, то підвищується їх електрична міцність.
Для забезпечення надійності роботи діелектриків їх робоча напруга Uр повинна бути значно нижчою від пробивного значення.
Відношення Uпр до Uр називається коефіцієнтом запасу електричної міцності і для кожного виду діелектрика встановлюється залежно від його фізико-хімічних властивостей та умов роботи. Особливий практичний інтерес викликає явище пробою твердих полярних і неполярних діелектриків в однорідному й неоднорідному полях. Так, електрична міцність неполярного діелектрика в однорідному електричному полі значно вища від його електричної міцності в неоднорідному полі. Зовсім інший результат отримують при випробуванні полярного діелектрика у тих самих полях. Здебільшого при випробуваннях електрична міцність у неоднорідному електричному полі може бути вища, ніж в однорідному. Це явище можна пояснити тим, що у неоднорідному полі електрод «голку» можна встановити на ділянку з ознаками неполярного діелектрика. А на електродах «площина-площина» у поле потрапляють більше ділянок, у тому числі ділянки з ознаками полярного діелектрика. На останніх ділянках і відбувається пробій при нижчих значеннях U.
Розрізняють чотири види пробою твердих діелектриків:
- електричний пробій макроскопічних однорідних діелектриків;
- електричний пробій неоднорідних діелектриків;
- тепловий (електротепловий) пробій;
- електрохімічний пробій.
Кожний із зазначених видів пробою може мати місце для того самого матеріалу в залежності від характеру електричного поля (постійного чи змінного, імпульсного, низької чи високої частоти), наявності в діелектрику дефектів, зокрема закритих пор, від умов охолодження, часу впливу напруги.
Електричний пробій макроскопічних однорідних діелектриків. Цей вид пробою характеризується дуже швидким розвитком, він протікає за час 10-7 – 10-8с і не обумовлений тепловою енергією, хоча електрична міцність при електричному пробої до деякої міри залежить від температури.
Електричний пробій за своєю природою є чисто електронним процесом, коли з деяких початкових електронів у твердому тілі створюється електронна лавина. Електрони розсіюють енергію свого руху, накопичену в електричному полі, збуджуючи пружні коливання кристалічних ґраток. Електрони, що досягли певної критичної швидкості, відщеплюють нові електрони, і стаціонарний стан порушується, тобто виникає ударна іонізація електронами у твердому тілі.
Чисто електричний пробій має місце, коли унеможливлений вплив електропровідності та діелектричних втрат, що обумовлюють нагрівання матеріалу, а також відсутня іонізація газових включень. Для однорідного поля і повної однорідності структури матеріалу напруженість поля при електричному пробої може служити мірою електричної міцності речовини. Такі умови вдається спостерігати для монокристалів лужно-галоїдних сполук і деяких органічних полімерів. У цьому випадку Епр досягає сотень мегавольт на метр і більше.
Для однорідних матеріалів спостерігається помітна різниця між значеннями пробивної напруги в однорідному і неоднорідному полях.
Електричний пробій неоднорідних діелектриків. Він характерний для технічних діелектриків, що містять газові включення, і так само, як і електричний пробій однорідного діелектрика, дуже швидко розвивається.
Прийнято вважати, що в однорідному полі електрична міцність скла, порцеляни й інших твердих діелектриків не залежить від товщини зразка. Однак основні роботи з вивчення впливу ступеня однорідності на електричну міцність проводилися лише зі склом при дуже малій товщині зразків – від 0,05 до 0,2 – 0,5 мм, коли число дефектів невелике. Зі збільшенням товщини зразка підсилюється неоднорідність структури, зростає число газових включень і знижується електрична міцність як в однорідному полі, так і в неоднорідному. Іноді на досліді можна спостерігати, що електрична міцність кераміки при електродах, що створюють зовнішнє неоднорідне поле, буде навіть вища, ніж при електродах, що забезпечують однорідне поле. Електрична міцність твердих діелектриків практично не залежить від температури до деякого її значення. Вище цього значення спостерігається помітне зниження електричної міцності, що говорить про появу механізму теплового пробою.
Електротепловий пробій. Він зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температури, що відповідає хоча б місцевій втраті ним електроізоляційних властивостей, пов’язаній з надмірним зростанням наскрізної електропровідності або діелектричних втрат. Пробивна напруга при тепловому пробої залежить від ряду факторів: частоти поля, умов охолодження, температури навколишнього середовища та інших. Крім того, напруга теплового пробою залежить від нагрівостійкості матеріалу. Органічні діелектрики внаслідок малої нагрівостійкості, за інших рівних умов, мають більш низькі значення пробивних напруг при тепловому пробої, ніж неорганічні. При розрахунках напруги теплового пробою повинні братися до уваги значення tgd діелектрика і його залежність від температури, а також діелектрична проникність матеріалу.
У колах змінного струму низької частоти знаходять застосування матеріали, що дають різке зростання tgd уже при нагріванні вище 20 – 30 °С; з іншого боку, відомі діелектрики, значення tgd яких мало змінюється в дуже широкому інтервалі температур, аж до 150 – 200 °С (в останньому випадку тепловий пробій зможе розвиватися тільки при досягненні цих температур).
Температура нагрівання ізолятора в електричному полі високої напруги встановлюється тоді, коли тепловиділення виявиться рівним тепловіддачі в навколишнє середовище. У більшості випадків тепловідведення обумовлюється конвекцією повітря. Такі умови роботи підвісних і опорних ізоляторів, керамічних конденсаторів, каркасів котушок індуктивностей.
Тепловідведення за рахунок теплопровідності навколишнього середовища має місце для кабелів, вводів, вмонтованих у стіни. Звичайно при розрахунку ізоляторів вибирають таку робочу напругу, яка відповідає сталій температурі, щоб температура нагрівання не перевищувала деякого заданого значення, небезпечного з погляду нагрівостійкості діелектрика.
Тепловий пробій виникає у тому випадку, коли кількість теплоти, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує кількість теплоти, яка може розсіюватися в даних умовах в навколишнє середовище. В цьому випадку порушується теплова рівновага, а процес набуває лавиноподібного характеру. Явище теплового пробою зводиться до розігрівання матеріалу в електричному полі до температур, відповідних розплавлення та обвуглювання.
Електрична міцність при тепловому пробої є характеристикою не тільки матеріалу, але і виробу з нього, тоді як електрична міцність при електричному пробої служить характеристикою самого матеріалу. Пробивна напруга, зумовлена нагрівом діелектрика, залежить від частоти напруги, умов охолоджування, температури навколишнього середовища. Крім того, електротеплова пробивна напруга залежить від нагрівостійкості матеріалу. Органічні діелектрики (наприклад, полістирол) мають нижчі значення електротеплових пробивних напруг, ніж неорганічні (кварц, кераміка) внаслідок їх малої нагрівостійкості.
Розглянемо методику спрощеного розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої. Нехай пластинка однорідного діелектрика, що має втрати, знаходиться між двома електродами, як показано на рис. 5.6.
Рисунок 5.6 – Форма електродів для визначення електричної міцності твердих діелектриків
До електродів від достатньо потужного джерела змінного струму прикладається напруга, яка можна збільшуватись до пробивної. Механізм теплового пробою найбільш вірогідний при підвищених температурах, коли можна чекати, що переважними будуть втрати наскрізної електропровідності.
Температура t по всьому об’єму матеріалу, що знаходиться в електричному полі між електродами, однакова, якщо товщина діелектрика не дуже велика і теплопровідність його не дуже погана. Оскільки теплопровідність металу електродів, за рідкісним винятком, на два-три порядки більша, ніж теплопровідність діелектрика, вважається, що теплота з об’єму, що нагрівається, передається в навколишнє середовище через електроди. Потужність, що відводиться від діелектрика, виразимо за допомогою формули Ньютона:
де – коефіцієнт теплопередачі системи діелектрик-метал електродів.
Активна потужність Ра, яка виділяється в діелектриках за рахунок діелектричних втрат, залежить від температури, а форма її кривої визначається температурною залежністю tg d і визначається за формулою:
де U – прикладена напруга;
f – частота;
er – відносна діелектрична проникність;
tgd0 – тангенс кута діелектричних втрат діелектрика при температурі навколишнього середовища;
a – температурний коефіцієнт тангенса кута діелектричних втрат;
t – температура нагрітого за рахунок діелектричних втрат матеріалу;
t0 – температура електродів, яка приблизно дорівнює температурі навколишнього середовища;
pS – площа електрода;
h – товщина діелектрика.
Для наочності подальших міркувань скористаємося графічною побудовою, показаною на рис. 5.7, де у вибраній системі координат зображені експоненти тепловиділення Ра = F(t) при різних значеннях прикладеної напруги і пряма тепловіддачі Рт = j(t).
Рисунок 5.7 – Пояснення до розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої
При значенні прикладеної напруги U1 пряма теплопередачі Рт є січною прямою тепловиділення. При температурі t1 настає стан стійкої теплової рівноваги, оскільки потужність тепловиділення дорівнює потужності, що відводиться від зразка. Якщо температура не перевищує значення t¢, то потужність, що відводиться, буде більшою потужності тепловиділення, і зразок поступово буде повертатися в стійкий стан при температурі t1. Напруга U1 буде безпечною для зразка діелектрика в даних умовах, якщо нагрів до температури t¢ не призведе до механічного або хімічного руйнування структури матеріалу. При збільшенні напруги до значення U2, при якому пряма теплопередачі є дотичною до кривої тепловиділення, буде нестійка теплова рівновага при температурі t. Таким чином, напруга, при якій має місце нестійкий граничний режим, може бути прийнята за напругу теплового пробою Uпр. Її можна визначити за двох умов:
Умова може бути записана тільки для одного граничного режиму. Дана умова справедлива для всіх випадків стійкої роботи діелектрика під напругою. Використовуючи попередні формули, одержуємо:
Розділивши вираз (5.12) на (5.13), одержуємо :
Підставляючи (5.14) в (5.13) і розв’язуючи одержане рівняння щодо U, визначаємо величину Uпр :
де К – числовий коефіцієнт, рівний 115 ÷ 105, якщо всі величини, що мають розмірності, виражені в одиницях системи СІ.
Одержаний вираз показує, що напруга теплового пробою буде вищою, якщо умови тепловіддачі кращі ( s більше), діелектрик товстіший, і меншою – при високих частотах, при збільшених значеннях коефіцієнтів діелектричних втрат tg d0 , діелектричної проникності e, і великому температурному коефіцієнтові тангенса кута діелектричних втрат a.
У загальному випадку тепловий пробій – складніше явище, ніж було розглянуто. По товщині діелектрика має місце перепад температури, середній шар виявляється нагрітим більше, ніж прилеглі до електродів, опір першого різко падає, що веде до спотворення електричного поля і підвищених градієнтів напруги в поверхневих шарах. Впливає також і теплопровідність матеріалу електродів. Все це сприяє пробою зразків при нижчих напругах, ніж одержані з наближеного розрахунку.
Залежність електричної міцності від різних факторів змушує визначати електричну міцність при нормованих умовах випробувань (від напруги, швидкості її підйому, площі, форми електродів і відстані між ними, числа зразків, температури і вологості навколишнього середовища). Оскільки реальні умови роботи матеріалів здебільшого відрізняються від умов, у яких проводяться випробування, отримані результати можуть бути використані при розрахунках електроізоляційних конструкцій тільки після введення відповідних поправочних коефіцієнтів.
Два електроди можуть знаходитися на поверхні діелектрика. У цьому випадку при перекритті відбувається порушення електричної міцності повітря, а характеристики діелектрика (діелектрична проникність, поверхневий і об’ємний опори, товщина діелектрика) впливають на значення напруженості перекриття, що, як правило, значно нижча напруженості пробою по товщині.
Електрохімічний пробій. Цей вид пробою ізоляційних матеріалів має особливо істотне значення при підвищених температурах і високій вологості повітря. Він спостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли в матеріалі розвиваються електролітичні процеси, які обумовлюють незворотне зменшення опору ізоляції.
Таке явище часте називають також старінням діелектрика в електричному полі, оскільки воно веде до поступового зниження електричної міцності. Електрохімічний пробій вимагає для свого розвитку тривалого часу тому, що він пов’язаний з явищами електропровідності, які приводить до повільного виділення в матеріалі малих кількостей хімічно активних речовин, або з утворенням напівпровідних з’єднань. У кераміці, що містить окисли металів змінної валентності (наприклад, TIO2), електрохімічний пробій зустрічається значно частіше, ніж у кераміці, що складається з окислів алюмінію, кремнію, магнію, барію.
5.4 Контрольні питання
- Пробій газів.
- Пробій рідких діелектриків.
- Види пробою твердих діелектриків.
- Коли в електроізоляційних матеріалах настає тепловий пробій?
- Коли в електроізоляційних матеріалах настає іонізаційний пробій?
- Коли в електроізоляційних матеріалах настає електрохімічний пробій?
- Від чого залежить електрична міцність електроізоляційних матеріалів?
- Наведіть приклади використання залежності електричної міцності від тиску в електроустановках.
