Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор

       Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков. Это, в свою очередь, обусловлено их высокими электрическими характеристиками в сочетании с удовлетворительными механическими и теплофизическими характеристиками. Механизм пробоя значительно отличается для разных диэлектриков и даже для одного и того же диэлектрика при разных условиях.

Рассмотрим основные закономерности пробоя твердых диэлектриков.

Температурная зависимость.
Эта зависимость зачастую имеет достаточно сложный вид. Например, в некоторых случаях электрическая прочность с ростом температуры сначала увеличивается, затем уменьшается, в других случаях монотонно возрастает или убывает. Последний случай обычно хорошо описывается моделью теплового пробоя.

Рис.3.6. Зависимость электрической прочности пленки S_iO₂ от толщины [2]

Зависимость от межэлектродного зазора.
При малых зазорах напряженность поля пробоя резко нарастает с уменьшением зазора (рис.3.6). Современные экспериментальные данные по пробою специально выращенных бездефектных пленок показывают, что пробивная напряженность в субмикронных зазорах может доходить до 100 МВ/см.

Зависимость от площади
Эта зависимость - чисто эмпирическая, как в газах и жидкостях, она имеет вид Е=Е₀S^-1/n. Иногда считают, что U_пр зависит не от площади, а от объема диэлектрика, где сосредоточено электрическое поле.

Кристаллографическая направленность.
При разряде в кристаллах, например NaCl, разряд с “игольчатого” электрода зачастую имеет вид не “дерева” или “куста”, а разветвленной структуры с ветвями, ориентированными вдоль определенных кристаллографических направлений. При этом, разряд с анодного острия предпочитает одни направления, а с катодного острия - другие.

Закономерности импульсного пробоя: такие же, как в случая пробоя жидкостей. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10 МВ/см.

Из теорий электрического пробоя рассмотрим модель "чисто" электрического пробоя, модель пробоя под действием частичных разрядов и наиболее проработанную теорию теплового пробоя.

Большое количество моделей рассматривают электрический пробой твердых диэлектриков. Считается, что электроны могут вырываться из электродов или из молекул примесей, например путем туннельного эффекта за счет действия сильного электрического поля, или путем термоионизации примесей и попадают в зону проводимости. Там они ускоряются и набирают энергию, достаточную для выбивания новых электронов из заполненной зоны. В некотором смысле это аналогично пробою газов, только электроны движутся не в свободном пространстве, а в зоне проводимости, взаимодействуя с колебаниями решетки и неоднородностями в виде примесей и нарушений решетки, набирая энергию для ионизации в пределах ширины зоны проводимости. В результате прохождения лавины в диэлектрике выделяется энергия, что приводит к локальному разрушению решетки и появлению канала разряда. В случае чисто “электрического” механизма пробоя не должно быть температурной зависимости электрической прочности Е(Т). Этот механизм, по-видимому, может реализоваться для чистых кристаллов с достаточно широкой зоной проводимости.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик” Они возникают в процессе изготовления электроизоляционной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе эксплуатации, например в результате вибрации или механических напряжений. Наличие пор и, связанное с ними возникновение ионизационных явлений, является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, т.н. старения диэлектриков.

Рис.3.7. зона частичных разрядов на положительном и отрицательном полупериодах напряжения

Старение диэлектриков - ухудшение характеристик диэлектриков при их эксплуатации.
В ряде случаев тепловое старение может превалировать. Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетических установках и устройствах на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают частичные разряды.(рис.3.7)

Частичный разряд - локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика.
Каждый разряд оказывает воздействие на диэлектрик за счет образования активных радикалов, излучения, повышенной температуры. Интенсивность ЧР зависит от напряженности поля. Поскольку разряды обычно возникают на каждом полупериоде синусоидального напряжения, поэтому с течением времени их действие нарастает. Это ведет к постепенному разложению материала, росту давления в поре, появлению проводящих частиц (обуглероживанию), и, в конце концов, к зарождению дендрита.

Дендрит - древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10-20 мкм.

Интенсивность роста дендрита зависит от напряженности поля и она определяет зависимость времени жизни от напряженности и частоты воздействующего напряжения. Отметим, что поведение органических и неорганических диэлектриков под действием электрических полей различается. На переменном напряжении неорганика практически не стареет, т.к. в ней не происходит обуглероживание каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счет перемещения ионов разного знака к разным электродам. При этом у электродов формируются зоны, занятые молекулами, в которые превращаются разрядившиеся ионы. Например, ионы металла, будучи заряженными положительно, передвигаются к катоду и формируют вблизи катода металлические, проводящие структуры, способствующие инициированию электрического пробоя. Органические диэлектрики, например полимеры, на постоянном напряжении практически не стареют, т.к. не содержат ионов в заметных количествах, а на переменном напряжении стареют за счет ЧР, а во влажных условиях, и за счет нового явления - водных триингов.

Водный триинг (водный дендрит) - образование разветвленной микроструктуры в виде объемной сетки или микрокустов в теле диэлектрика, состоящей преимущественно из воды. Характерен для полиэтиленовой изоляции кабелей, работающих во влажных условиях. Растет под действием напряжения и воды. Диаметр водного дендрита - доли микрон. За счет высокой растворяющей и ионизирующей способности воды в структуре водного дендрита накапливаются ионы, благодаря чему каждый "куст" дендрита является электропроводным. Поэтому при прорастании структуры триинга вглубь промежутка перед дендритом увеличивается напряженность поля. При распространении дендрита до размеров половины промежутка или более, происходит пробой промежутка.

Наиболее часто реализующийся механизм выхода из строя твердой изоляции под действием напряжения представляется следующим. В порах диэлектрика возникают частичные разряды, они постепенно разрушают диэлектрик в прилегающей области, затем их амплитуда растет и, по достижению некоторого значения, скачкообразно происходит образование микродендрита. Затем ЧР происходят уже в дендрите, и после определенных воздействий, дендрит скачкообразно прорастает дальше вглубь промежутка. В конце концов, после нескольких скачкообразных удлинений, происходит пробой всего промежутка. Для влажных условий водные дендриты начинают играть превалирующую роль, приводя к пробою при сравнительно низких напряжениях.

Для загрязненных, либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов, механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов. Тепловой пробой - разрушение диэлектрика за счет прогрессирующего локального энерговыделения при протекании тока в среде. Тепловой пробой возникает вследствие положительного температурного коэффициента электропроводности диэлектриков, т.е. увеличения электропроводности диэлектрика с ростом температуры. Эту зависимость обычно представляют в виде s = s ( T ₀ ) · exp(a·( T - T ₀ )), где a- температурный коэффициент зависимости, T₀- начальная температура, s ( T ₀ ) - электропроводность при начальной температуре. Подчеркнем, что это выражение близко полученному нами (1.26).

Механизм возникновения пробоя представляется следующим образом. Энерговыделение W в среде с напряженностью E и удельной проводимостью s в течении времени D t определяется джоулевыми потерями W=s E²D t . Это приводит к росту температуры D Т в соответствии с выражением W = с·d·D T , где с - удельная теплоемкость, d - плотность диэлектрика. Рост температуры сопровождается ростом электропроводности, что приводит к росту энерговыделения и т.п. В результате возникает ничем не ограниченный (при мощном источнике) рост температуры. Считается, (чисто математически) что пробой произойдет при достижении бесконечной температуры. Для одного частного случая, когда пренебрегается теплоотводом от диэлектрика во внешнюю среду получено известное выражение. Эту формулу вывел российский ученый академик Фок.

Е=(с·d/(a·s (Т₀)·t))1/2          (3.4)

Следует отметить, что, как это видно из (3.4) напряженность теплового пробоя зависит от температуры, температурную зависимость электрической прочности E(T₀), определяет зависимость s (Т₀).

Экспериментально тепловой пробой твердых диэлектриков выявляется не только по виду температурной зависимости, но и по внешнему виду канала разряда. В этом случае обычно канал разряда расположен в центре образца и он имеет аккуратные гладкие стенки, характерные для проплавления диэлектрика.

Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор