Мы привыкли считать, что в обычных условиях ток передается в проводниках – материалах, имеющих достаточное количество свободных носителей зарядов. К ним мы относим, например, металлы, жидкости. Диэлектрики же в свою очередь ток не проводят, поэтому питание электроприборов осуществляется с помощью металлического кабеля, а вот изоляция сделана из непроводящего токоматериала. Или, например, привычное для нас явление, что воздух не проводит электрический ток. Не прикасаясь к проводнику, находящегося под напряжением, мы можем не опасаться удара электрическим током. На самом деле, существует условие, когда ток также способен проводиться в среде изначально не являющей электропроводной. Общее название таких процессов, приводящих к резкому возрастанию силы тока в неэлектропроводных средах принято именовать пробоем диэлектриков.
Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.
Следствием пробоя является ток короткого замыкания , который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика, в результате которого образуется сквозное проплавленное отверстие. Изделие с «пробитой» изоляцией не подлежит эксплуатации, так как при подаче напряжения произойдет повторно пробой изоляции, но уже при более низком напряжении.
В случае пробоя газообразных или жидких диэлектриков в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства и такой диэлектрик можно использовать вновь.
Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Unp, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика.
Следовательно, электрическая прочность Епр диэлектрика — это минимальное значение напряженности электрического поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять
где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.
Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика – в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:
Электрическая прочность зависит в первую очередь от:
1. степени однородности образца (у твердых диэлектриков — от количества и размера пор, у жидких — от частиц нерастворенной примеси, у воздуха — от микрокапель влаги);
2. химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами);
3. частоты и времени приложения напряжения;
4. давления;
5. влажности и т. д.
На сегодняшний день нет теории, которая учитывала бы одновременное влияние всех указанных факторов на механизм пробоя и с помощью которой можно было бы аналитически определить Епр любого диэлектрика. Поэтому для всех диэлектриков Епр определяют экспериментально. Наиболее хорошо изученным является механизм пробоя воздуха.
Для надежной работы электротехнических устройств (деталей) берется всегда ниже, чем Unp изоляции. Отношение Unp/Upaб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.
Природа вещества определяет механизм пробоя. Так, пробой газов обусловлен чисто электрическими процессами – электронной и фотонной ударной ионизацией. Для них характерен электрический пробой. В жидких диэлектриках пробой происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Одним из главенствующих факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Так же и пробой твердых тел, который может происходить в результате электрических и тепловых процессов, возникающими под действием поля.
Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.
Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
Различают пробой полный — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому (рис. 5.1, а), неполный (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и частичный — пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.
При совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях, пробой может произойти не сквозь толщу одного из них, а по границе раздела фаз (см. рис. 5.1, б). Такой пробой называют поверхностным (поверхностным разрядом, или поверхностным перекрытием). Практически чаще всего изоляционная среда состоит из твердого диэлектрика и воздуха. В этом случае разряд происходит вдоль поверхности твердого диэлектрика в прилегающих слоях воздуха, и напряжение поверхностного разряда Uр будет ниже, чем Uпр воздуха (Uпр>Uр).
, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика, в результате которого образуется сквозное проплавленное отверстие. Изделие с «пробитой» изоляцией не подлежит эксплуатации, так как при подаче напряжения произойдет повторно пробой изоляции, но уже при более низком напряжении.
берется всегда ниже, чем Unp изоляции. Отношение Unp/Upaб представляет собой коэффициент запаса электрической прочности изоляции.