Электронный пробой твердого диэлектрика

(пробой при кратковременных воздействиях напряжения)

       Если обеспечить невысокую температуру твердого диэлектрика, то напряжение пробоя должно стремиться к бесконечности, но очевидно, что при кратковременных воздействиях напряжения, импульсах тепловой пробой маловероятен. Однако, и в таких условиях пробой всё-таки возникает, причём он происходит за очень маленький промежуток времени: 10^-7 – 10^-8 с. Такое маленькое время развития пробоя указывает на его электронную природу. Напряженность однородного электрического поля, при которой наступает электронный пробой твердого диэлектрика определяется только физической структурой материала и является его индивидуальной характеристикой. Для большинства твердых диэлектриков она лежит от 10⁶ до 10⁷ кВ/см. Определяется эта напряженность с помощью образцов твердых диэлектриков и электродов специальной (гостированной) формы, которые позволяют избегать частичных разрядов.

Называется эта напряжённость, иногда, внутренней электрической прочностью, иногда «истинной». «Истинная» напряжённость относительна.

       Существует достаточно много теорий электрического пробоя. Наиболее широко применяются 3 теории:

1. теория Хиппеля-Каллена. Ударная ионизация медленными электронами.

2. теория Фрелиха. Ударная ионизация быстрыми электронами.

3. теория Франца. Квантово-механическая за счет электростатической ионизации.

       Согласно этих 3 теорий энергия свободных электронов объемной проводимости с ростом напряженности возрастает. Продвигаясь в толще твердого диэлектрика свободные электроны рассеивают свою энергию, взаимодействуя с молекулами и атомами кристаллической решетки. При некоторой напряженности электрического поля накапливаемая свободными электронами энергия становиться больше рассеиваемой, т.е. возникают условия для непрерывного нарастания энергии свободных электронов, тем самым увеличивается вероятность ионизации. Появляются новые свободные электроны в результате разрушения структуры твёрдого диэлектрика. Развитие пробоя носит лавино-стриммерный характер и заканчивается проплавлением или прожёгом канала. Но в соответствии с этим механизмом внутренняя электрическая прочность твердого диэлектрика не зависит от времени воздействия напряжения, вплоть до очень малых размахов, возрастает пропорционально толщине твердого диэлектрика и снижается с ростом температуры.

       Напряжение пробоя снижается при прочих равных условиях, при увеличении неоднородности электрического поля.

В системе острие-плоскость наблюдается эффект полярности. При «-» на острие пробивное напряжение на 20-30% больше, чем если бы на нём был «+».

Пробивное напряжение может быть повышено путём установки в толще твёрдого диэлектрика вблизи электрода с меньшим радиусом кривизны барьеров из тонких высокочастотных прочных полимеров..

Это ещё раз доказывает о лавинно-стриммерном развитии пробоя.

В реальных условиях твердые диэлектрики работают в неоднородных полях. В таких условиях трудно исключить внешние факторы. Поэтому для сравнения материалов кроме внутренней (истинной) прочности вводят среднюю электрическую прочность, Е_ср.

Е_ср является индивидуальной характеристикой твердого диэлектрика при определенных, но близких к реальным техническим условиям эксплуатации.

Е_ср определяется с помощью специальных гостированных образцов и в гостированых условиях. В резко неоднородных полях (больше 4) увеличение пробивного напряжения твердого диэлектрика наблюдается при длительности импульсов напряжения 10^-5-10^-6с.При многократном воздействии импульсов напряжения пробой возможен при амплитудах напряжения меньших, чем пробой при однократном воздействии.

Это явление называется куммулятивный эффект. Полный пробой развивается вследствие последующих разрушений отдельных участков твердого диэлектрика. Отношение  получило название коэффициент кумулятивности. (U_1.пр – при однократном воздействии)

Для большинства твердых диэлектриков К лежит в диапазоне от 0,5 до 1. Отсутствие кумуляции характерно для некоторых компаундных изоляторов, а также для изоляции из аморфных стёкол. В большинстве случаев частичные разрушения накапливаются и куммулятивный эффект необходимо учитывать при проектировании изоляционных конструкций.