Влияние химического состава газа
При равных условиях одинаковую с воздухом электрическую прочность имеют азот и кислород, а у водорода она на 40 % меньше. Очень низкой электри- ческой прочностью обладают инертные газы (гелий, аргон, неон), используемые для заполнения газоразрядных приборов и источников света. Например, у гелия в нормальных условиях 𝐸
пр в три раза меньше, чем у воздуха, а у неона она отлича- ется в семь раз. Повышенной пробивной напряженностью отличаются некоторые тяжелые газы с большой молекулярной массой и высокой поляризуемостью. К их числу относятся, в частности, фреон CCl
2
F
2
и элегаз
SF
6
, у которых 𝐸
пр примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Достоинства элегаза в том, что он не токсичен,
химостоек, не разлагается при нагревании до 800 ℃, его можно сжать без сжиже- ния до давления 2 МПа при комнатной температуре.
Еще большей электрической прочностью обладают пары перфторированных углеводородов. Например, пары фторфенантрена C
14
F
24
имеют
𝐸
пр в 10 раз больше, чем у воздуха.
В жидком состоянии такие газы, как азот, аргон, водород, гелий, широко ис- пользуемые при проведении различных исследований, являются хорошими ди- электриками с электрической прочностью 30…33 МВ/м.
Пробой жидких диэлектриков
Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной мере зависит от их чистоты. Пробой тщательно очищенных жидкостей имеет чисто электрон- ный характер и обусловлен процессами ударной ионизации. Длительность фор- мирования электрического разряда в этом случае не превышает 10
–6
с. Начальные электроны, образующие лавину, возникают вследствие их инжекции из катода.
Наблюдается корреляция между значением 𝐸
пр и работой выхода электрона из металла, используемого в качестве катода.
Плотность жидкостей, используемых в электроизоляционной технике, при- мерно в 10 3
раз больше плотности газов в нормальных условиях. Соответственно в жидкостях электроны, производящие ударную ионизацию, обладают намного меньшей длиной свободного пробега. Поэтому пробивная напряженность у чи- стых жидких диэлектриков на один-два порядка выше, чем у газов. Например, тщательно очищенное трансформаторное масло имеет 𝐸
пр
= 40 МВ/м. Формально жидкие очищенные углеводороды можно рассматривать как газы, сжатые до дав- ления 2 000 атм (2·10 8
Па).
При пробое загрязненных и технически чистых жидкостей определяющую роль играют так называемые вторичные процессы, связанные с движением и пе- рераспределением примесных включений. Эти процессы в корне изменяют меха- низм пробоя и приводят к снижению электрической прочности диэлектриков.
Формы проявления вторичных процессов могут быть весьма многообразны.
Например, если в жидком диэлектрике присутствуют твердые достаточно прово- дящие микровключения, то под действием электрического поля они поляризу- ются, притягиваются друг к другу и образуют «мостики», замыкающие элек- троды. По этим мостикам проходит электрический разряд.
При эксплуатации трансформаторного и других нефтяных масел трудно из- бежать их загрязнения атмосферной влагой. Даже незначительная добавка воды (0,01 %) в несколько раз уменьшает пробивное напряжение очищенного транс- форматорного масла. При этом вода может существовать в масле как в виде рас- твора, так и в виде эмульсии (маленьких взвешенных капелек). Растворенная вода практически не влияет на пробивное напряжение, а образование водной эмульсии сопровождается резким снижением электрической прочности. Капельки поляр- ной жидкости (воды), находящиеся в неполярной среде (масле) с малой диэлек- трической проницаемостью, в сильном электрическом поле теряют сферическую форму и вытягиваются в эллипсоиды. Образовавшиеся макродиполи взаимодей- ствуют между собой и выстраиваются вдоль силовых линий поля, формируя ме- жэлектродные мостики с повышенной проводимостью. При изменении темпера- туры изменяется растворимость воды, что приводит к изменению соотношения ее количеств в молекулярной и эмульсионной формах. Соответственно изменяется и электрическая прочность масла. Вторичные процессы могут проявляться в виде образования газовых пузырь- ков, инициированных вскипанием жидкости. Разогрев может быть обусловлен разными причинами, например большими диэлектрическими потерями в диапа- зоне радиочастот или же локальным выделением теплоты в местах наиболее рез- ких неоднородностей электрического поля. В любом случае возникающие газо- вые пузырьки при их слиянии образуют между электродами сплошной канал с пониженной электрической прочностью. Следует также учитывать возможность химического разложения жидких диэлектриков при развитии ударной ионизации в газовых пузырьках. Рассмотренные вторичные явления, возникающие в жидкостях под дей- ствием сильного электрического поля, протекают сравнительно медленно. Напри- мер, образование проводящих мостиков может затягиваться на несколько секунд. Поэтому пробивное напряжение зависит от длительности воздействия электриче- ского поля. При кратковременном приложении напряжения (импульсами) пробой даже не очень чистых жидкостей носит преимущественно электронный характер, а электрическая прочность имеет порядок 10 7 В/м. В случае больших экспозиций 𝐸 пр изменяется в широких пределах (10 7 …10 5 В/м) и определяется типом примес- ных включений, их количеством, условиями пробоя и различными случайными факторами.
ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Виды и стадии пробоя
Пробой твердых диэлектриков может происходить как при весьма высоких, так и при низких напряжениях. Например, в полупроводниковых интегральных схемах для изоляции элементов используют диэлектрические пленки толщиной порядка 100 нм. В этом случае при рабочем напряжении всего 10 В в диэлектрике создается напряженность поля 10 8
В/м, что очень близко к критическим значе- ниям. Таким образом, даже в низковольтных элементах электронной аппаратуры пробой ограничивает предельные рабочие напряжения и может являться одной из причин выхода из строя диэлектрической изоляции.
В развитии пробоя твердых диэлектриков принято выделять, по крайней мере, две важные стадии: предварительную (начальную) и завершающую. На предварительной стадии происходит нарушение стационарного режима электро- проводности, приводящее к потере диэлектриком электрической прочности и рез- кому возрастанию тока. Завершающую стадию связывают с образованием прово- дящего канала и последующим разрушением материала. Вторую стадию пробоя можно предупредить, если ограничить нарастание тока в разрядной цепи. По при- роде процессов, определяющих развитие подготовительной стадии, различают три основных механизма пробоя:
электрический;
тепловой;
электрохимический.
Каждый из выделенных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же диэлектрике в зависимости от характера приложенного напряжения – по- стоянного или переменного, низкочастотного, высокочастотного или импульс- ного; а также от длительности воздействия поля; степени однородности и дефект- ности диэлектрика, его толщины, наличия в нем закрытых пор; условий охлажде- ния материала и др.
Электрический пробой твердых диэлектриков является чисто электрон- ным процессом, в котором основную роль играет ударная ионизация. Начальные электроны появляются в результате их инжекции с металлических электродов в зону проводимости или вследствие стимулированного полем освобождения носи-
телей заряда с ловушек. В свою очередь, инжекция может осуществляться по ме- ханизму полевой эмиссии Шоттки либо путем квантово-механического туннели- рования электронов сквозь барьер, сформированный у катода. Ударная ионизация начинается в том случае, когда ускоренные электроны приобретают от поля энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. Тогда при взаимодействии первичных электронов с узлами решетки образуются вторич- ные электроны путем перевода последних из валентной зоны в зону проводимо- сти. Упрощая картину взаимодействия, можно полагать, что при каждом акте ионизации вместо одного быстрого электрона, уже ускоренного полем, образу- ется два медленных электрона, которые затем также разгоняются полем и вновь производят ионизации, как показано на рис. 4.57. В результате формируется элек- тронная лавина. Время пролета электронов до анода обычно не превышает не- скольких пикосекунд. Рисунок 4.57 – Схема формирования электронной лавины за счет ударной ионизации При сильном развитии лавин у анода после ухода электронов остается объ- емный положительный заряд достаточно большой плотности. Благодаря ему начинается формирование встречного стримера, прорастающего к аноду с уча- стием процессов фотоионизации. Потеря материалом электрической прочности при такой последовательности процессов происходит за время порядка 10 –7 …10 –8 с. Предварительная стадия пробоя завершается образованием тонких проводящих каналов диаметром около одного микрометра. Плотность тока в этих каналах при отсутствии ограничений может достигать 10 9 А/м 2 . На завершающей стадии происходит плавление диэлектрика в объеме канала. Возникающее при этом давление может привести к появлению трещин или полному разрушению материала.
Рассмотренный механизм пробоя твердых диэлектриков во многом аналоги- чен лавинно-стримерному пробою газов. Он характерен для объемных образцов толщиной ℎ > 100 мкм. В этом случае пробивная напряженность в однородном поле практически не зависит от толщины диэлектрика. Однако тонкие пленки, как правило, обладают более высокой электрической прочностью, чем массивные об- разцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов.
В тонких пленках изменяется механизм электрического пробоя. Одна элек- тронная лавина при малой длине разрядного промежутка не может создать у анода достаточно мощный положительный заряд, который способен инициировать фор- мирование встречного стримера. Вместе с тем такой объемный заряд могут обра- зовать несколько последовательных лавин, развивающихся в одной и той же об- ласти пленки. Таким образом, в тонких слоях лавинно-стримерный пробой пре- вращается в многолавинный, как в случае газов при малых значениях 𝑝ℎ. Вслед- ствие этого на один-два порядка возрастает длительность пробоя, так как между лавинами всегда существует некоторая статистическая задержка в развитии про- цесса.
Чтобы электронные лавины в тонких слоях приобрели достаточную мощ- ность, необходимо увеличивать напряженность прикладываемого поля. Явление электрического упрочнения обычно наблюдается в пленках толщиной менее
1 мкм. Пробивная напряженность высококачественных тонких диэлектрических пленок может достигать 10 10
В/м. В качестве примера на рис. 4.58 приведены экс- периментальные данные по электрической прочности аморфных пленок SiO
2
и
Al
2
O
3
, используемых в электронике в структурах типа металл–диэлектрик–ме- талл (МДМ) и металл–диэлектрик–полупроводник (МДП).
Рисунок 4.58 – Зависимость пробивной напряженности в однородном поле
от толщины диэлектрических пленок
Чисто электрический пробой имеет место в тех случаях, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих
нагрев диэлектрика, а также отсутствует ионизация газовых включений. Такие условия соблюдаются в монокристаллах различных оксидов, щелочно-галоидных соединений и некоторых полимеров. Экспериментальные данные позволяют вы- явить ряд характерных признаков электрического пробоя. 1. В сильных полях перед электрическим пробоем доминирует электронная электропроводность, наблюдается нарушение закона Ома в сторону более резкого возрастания тока. 2. Пробивная напряженность различных твердых диэлектриков (как органи- ческих, так и неорганических) изменяется в сравнительно узких пределах (от 10 8 до 10 9 В/м), что близко к электрической прочности сильно сжатых газов или тща- тельно очищенных жидкостей. 3. Значение 𝐸 пр для данного диэлектрика при электрическом пробое намного выше, чем при других видах пробоя. 4. Электрическая прочность материала несколько возрастает с температурой, что можно объяснить уменьшением длины свободного пробега электронов. 5. Значения 𝐸 пр не зависят от длительности воздействия напряжения и ча- стоты поля (по крайней мере до 𝑓 10 6 Гц). 6. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения, так как в области ма- лых экспозиций не успевают развиваться ни тепловые, ни электрохимические процессы. Таким образом, при электронной форме пробоя значение 𝐸 пр в однородном поле в однородном диэлектрике практически не зависит от параметров окружаю- щей среды и многих побочных факторов. Поэтому пробивная напряженность, со- ответствующая таким условиям, является наиболее надежной и воспроизводимой характеристикой электрической прочности самого вещества. Тепловой пробой характерен только для твердых диэлектриков и обуслов- лен нарушением теплового равновесия в них при воздействии достаточно силь- ного электрического поля. Диэлектрические потери вызывают разогрев матери- ала. Если количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет по- терь, превысит количество теплоты, отводимой в окружающее пространство, то начнется прогрессирующий разогрев изолятора вплоть до полной потери им элек- трической прочности. Тепловой пробой по сравнению с электрическим разрядом характеризуется меньшим значением 𝐸 пр и существенно большей длительностью предварительной стадии.
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 𝑈
пр с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлек- трика в электрическом поле (при относительно малом 𝑡) и увеличением толщины изолятора.
Чтобы объяснить закономерности теплового пробоя, выполним расчет 𝑈
пр для наиболее простого случая. Пусть тонкая пластина однородного диэлектрика заключена между двумя плоскими электродами, имеющими одинаковую площадь
𝑆 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; 𝑈
1
< 𝑈
2
< 𝑈
3
К электродам приложено переменное напряжение частотой 𝑓, 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(𝑇 − 𝑇
0
)],
(4.78) где tgδ
0
– тангенс угла потерь в диэлектрике при температуре окружающей среды
𝑇
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 𝑃 а = 𝑈 2 ε𝑓𝑆tgδ 0 exp[α(𝑇 − 𝑇 0 )] 1,8 ∙ 10 10 ℎ , (4.79) где 𝑈 – приложенное напряжение; ε – относительная диэлектрическая проницае- мость; 𝑇 – температура материала в пространстве между электродами; 𝑇 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 𝑃 т от диэлектрика в соответствии с зако- ном Ньютона будет определяться выражением 𝑃 т = 2σ𝑆(𝑇 − 𝑇 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 𝑈 1 , то в результате разогрева за счет диэлектрических потерь его состоя- ние придет в точку 𝐴, которой соответствует устойчивое тепловое равновесие. Случайное повышение температуры относительно значения 𝑇 1 вызовет смещение равновесия в сторону усиления теплоотвода, поэтому диэлектрик будет охла- ждаться до тех пор, пока его состояние снова не придет в точку 𝐴. Таким образом, напряжение 𝑈 1 является безопасным для диэлектрика, если разогрев до темпера- туры 𝑇 1 не приводит к деградации материала, т. е. к необратимым изменениям его свойств и структуры. При напряжении 𝑈 2 состоянию теплового равновесия отвечает точка 𝐵, 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 𝑈 3 > 𝑈 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 𝑈 2 является крити- ческим и его можно принять за напряжение теплового пробоя. Для расчета 𝑈 пр воспользуемся следующими двумя условиями, определяющими критический теп- ловой режим: 𝑃 а (𝑇 кр ) = 𝑃 т (𝑇 кр ), (4.81) кроме того, при 𝑇 = 𝑇 кр 𝜕𝑃 а 𝜕𝑇 ⁄ = 𝜕𝑃 т 𝜕𝑇 ⁄ (4.82) Используя выражения (4.79) и (4.80), получим: 𝑈 пр 2 ε𝑓𝑆tgδ 0 exp[α(𝑇 кр − 𝑇 0 )] 1,8 ∙ 10 10 ℎ = 2σ𝑆(𝑇 кр − 𝑇 0 ); (4.83) α𝑈 пр 2 ε𝑓𝑆tgδ 0 exp[α(𝑇 кр − 𝑇 0 )] 1,8 ∙ 10 10 ℎ = 2σ𝑆. (4.84) Деление выражения (4.83) на (4.84) приводит к следующему результату: 1 α ⁄ = 𝑇 кр − 𝑇 0 (4.85) Подставляя формулу (4.85) в уравнение (4.84) и решая его относительно 𝑈 пр , найдем 𝑈 пр = 1,15 ∙ 10 5 √ σℎ αε𝑓tgδ 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 𝑈 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 𝑓tgδ 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
𝑈
пр
= 0,86√σℎ (α
γ
γ
0
)
⁄
,
(4.87) где α
γ
– температурный коэффициент удельной проводимости диэлектрика;
γ
0
– удельная проводимость при температуре 𝑇
0
Следует отметить, что температура 𝑇
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 𝑇
кр
− 𝑇
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
𝑈
пр
2
τ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡,
(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 𝑇
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 𝑇
0
обусловлено сокращением длины сво- бодного пробега электронов.
По мере нагревания окружающего пространства диэлектрические потери возрастают, и выше температуры 𝑇
01
электрическая прочность изолятора опреде- ляется перегревом рабочего объема. В соответствии с выражениями (4.78) и (4.86) значение 𝑈
пр при тепловом пробое экспоненциально понижается по мере возрас- тания температуры 𝑇
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.
| 
Скачать 1.19 Mb.