Что такое электрическая прочность диэлектрика

Пробой диэлектриков

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика .

Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле

где d — толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Пробой жидких диэлектриков — явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. На рис. 5-13 показана зависимость изменения электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.

Рис. 5-13. Изменение электрической прочности трансформаторного масла от содержания в нем воды.

Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) подобно воде понижают электрическую прочность жидких диэлектриков.

Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 5-14).

Рис. 5-14. Зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от времени воздействия на него электрического поля.

Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных характеристик жидких диэлектриков (рис. 5-15 и 5-16).

Рис. 5-15. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами.
1 — плоскость против шара диаметром 125 мм; 2 — плоскость против острия.

Рис. 5-16. То же, что рис. 5-15, но для постоянного напряжения. Электроды острие — плоскость:
1 — острие отрицательное; 2 — острие положительное.

Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления (рис. 5-17). Зависимость пробивного напряжения от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей, что указывает на большое влияние газообразных примесей.

Рис. 5-17. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления при 50 Гц.1-невакуумированное масло; 2-вакуумированное масло.

При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.

Влияние температуры на пробивные характеристики жидких диэлектриков различно в зависимости от их химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загрязнений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая прочность жидких диэлектриков резко понижается.

Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессам пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий (авторы Н. Н. Семенов и А. Ф. Вальтер, Эдлер и др.) пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающийся пробоем.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до с).
Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин см).
Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя.
Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.
При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.
Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды (рис. 5-18). Рис. 5-18. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от температуры (при тепловом пробое).
Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения (рис. 5-19). Рис. 5-19. Зависимость пробивного напряжения твердого диэлектрика от длительности приложенного напряжения (при тепловом пробое).
Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.
Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика (рис. 5-20).

Рис. 5-20. Зависимость пробивного напряжения от температуры для электротехнического фарфора (а — точка перехода к тепловому пробою).

Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.

Согласно выводам теории теплового пробоя твердых диэлектриков (В. А. Фок, Н. Н. Семенов) можно подсчитать величину пробивного напряжения для простых электроизоляционных конструкций (пластины) по формулам

а) для постоянного напряжения

б) для переменного напряжения

где — функция величины,

— коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; — коэффициент теплопроводности электродов, Дж/(с м °С); — коэффициент теплопроводности диэлектрика Дж/(с м °С); h — половина толщины диэлектрика, м; — толщина электрода, м; а — постоянная, характеризующая рост проводимости диэлектрика с температурой; — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); — тангенс угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика (при температуре окружающей среды); f — частота, Гц.

По известным значениям вычисляют величину с и, воспользовавшись графиком (рис. 5-21), находят .

Рис. 5-21. Значения функции. К расчету пробивного напряжения твердого диэлектрика при тепловом пробое (по В. А. Фоку).

При неограниченном возрастании с величина стремится к пределу, равному 0,66.

Дополнительно по теме

Классификация диэлектриков
Поляризация диэлектриков
Электропроводность диэлектриков
Электрическая прочность воздушных промежутков
Разряд по поверхности твердого диэлектрика
Разряд в масле
Электропроводность полупроводников
Получение и свойства полупроводников
Характеристики полупроводниковых материалов
Общие сведения о проводниковых материалах
Медь
Алюминий

электрическая прочность

минимальная напряжённость однородного электрического поля, при которой наступает пробой диэлектриков.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО́ЧНОСТЬ, минимальная напряженность (см. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ) однородного электрического поля Е_пр, при которой наступает пробой диэлектриков (см. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ) . Электрическая прочность зависит от материала диэлектрика (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) , конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения. Электрической прочностью обладают все газы, в том числе пары металлов, твердые и жидкие диэлектрики.
При определении электрической прочности для исключения теплового пробоя измерения производятся, как правило, в импульсном режиме, но импульсы напряжения должны быть достаточно длительными, чтобы процессы, приводящие к электрическому пробою, протекали без перенапряжений. Такими процессами являются ударная ионизация (см. УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ) либо туннельное (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ) просачивание, либо то и другое. При напряжениях выше электрической прочности диэлектрик становится проводником (когда напряженность электрического поля Е достигает пробивной Е_пр, электропроводность скачкообразно возрастает). Переход в проводящее состояние часто приводит к разрушению материала из-за перегрева.
Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит от внешних условий и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н. у.). Эти условия — давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см 2 , межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н. у. имеет электрическую прочность 3.10 4 В/см. Коэффициент k, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород — k = 0.5, гелий (см. ГЕЛИЙ) — k = 0.2, элегаз (см. СЕРЫ ФТОРИДЫ) к = 2.9, фреон (см. ХЛАДОНЫ) -12 — k = 2.4, перфторированные углеводородные газы k = (4—10).
Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие частицы твердых веществ, наличие которых сильно влияет на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Зависимость от влажности проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей электрической прочности от температуры: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение.
В твердых диэлектриках чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом Е_пр достигает значений более 10 6 В/м. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.
Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов.

Энциклопедический словарь . 2009 .

электрическая постоянная
электрическая разведка

Электрическая прочность диэлектриков и их диэлектрическая проницаемость Текст научной статьи по специальности «Физика»

Текст научной работы на тему «Электрическая прочность диэлектриков и их диэлектрическая проницаемость»

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 77 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА , 1953 г.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Е. К. ЗАВАДОВСКАЯ

В полученных нами формулах для определения электрической прочности диэлектриков в выражение электрической прочности входит диэлектрическая проницаемость.

Величина электрической прочности, полученная нами из условия минимума подвижности электронов, оказывается пропорциональной диэлектрической проницаемости е.

где г — диэлектрическая проницаемость, IV—энергия электронов, е — заряд электрона, а — постоянная решетки.

На фиг. 1 представлена зависимость между электрической прочностью кристаллов щелочио-галондных солей и их диэлектрической проницаемостью, построенная нами по экспериментальным данным. Из фиг. 1 сле-

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,8 В,О 8,5 %0 Л

Фиг. 1. Зависимость между электрической прочностью кристаллов щелочно-галоидных солей и их диэлектрической проницаемостью г.

дует, что большей электрической прочностью обладают те диэлектрики, которые имеют большую диэлектрическую пронидаемость. Это находится в согласии с (1). Но линейной зависимости между величиной электрической прочности и диэлектрической проницаемости для кристаллов щелочно-галоидных солей, как Зто следует из (1), не наблюдается.

Возможно, это объясняется тем, что некоторые из величин, входящих в (1), в свою очередь связаны с диэлектрической проницаемостью. В этом случае зависимость электрической прочности от диэлектрической проницаемости будет сложнее.

же Шг I >АУ2 Ш7 о

К зависимости электрической прочности от диэлектрической проницаемости мы приходим и из других сображевий. Известно, что в диэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникают механические усилия, величина которых определяется выражением:

где е0 — доля диэлектрической проницаемости, обусловленная смещением электронов (г0 = п-), где я—показатель преломления света.

Из формулы (2) следует, что большие механические усилия возникнут в диэлектриках с большей диэлектрической проницаемостью. Они могут вызывать растрескивание в кристаллах и тем самым способствовать пробою. Электрическая прочность таких диэлектриков будет ниже.

Фиг. 2. Зависимость между электрической прочностью кристаллов щелочно-галоидных солей и их оптической диэлектрической проницаемостью £0.

Формула (2) показывает, что зависимость электрической прочности от доли диэлектрической проницаемости, обусловленной смещением электронов, должна быть противоположного характера, чем зависимость электрической прочности от полной диэлектрической проницаемости.

На фиг. 2 представлена зависимость между электрической прочностью и е0. Из фиг. 2 следует, что большей электрической прочностью, будут обладать диэлектрики, имеющие меньшую диэлектрическую проницаемость £0. Таким образом, опытные данные согласуются с основными физическими положениями, которые приводят нас к зависимости электрической прочности от диэлектрической проницаемости. Представляло также интерес сопоставить электрическую прочность с другой составляющей диэлектрической проницаемости (г—е0), обусловленной смещением ионов диэлектрика в электрическом поле.

На фиг. 3 представлена зависимость между электрической прочностью и (е—г0). Из фиг. 3 следует, что большей электрической прочностью обладают те диэлектрики, которые имеют большую диэлектрическую проницаемость.

Различный характер зависимости электрической прочности от г0 и (е—г0) можно объяснить с развиваемой нами точки зрения.

Было показано, что большей электрической прочностью должны обладать диэлектрики с меньшей поляризуемостью, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость их за счет поляризации ионов должна бить меньше. В диэлектриках с большей диэлектрической проницаемостью (е—е„) ионы имеют большую возможность упруго смещаться от положения равновесия и возвращаться опять в него. Такие диэлектрики могут иметь более высокую электрическую прочность.

Ряд советских исследователей (Воробьев, Приходько, Вул и Горелик) изучал зависимость электрической прочности сегнетоэлектриков от величины диэлектрической проницаемости. Для исследованных сегнетоэлектриков зависимости между величиной прочности и диэлектрической проницаемости не получилось.

‘2,2 2,8 3,4 4,0 5,2 5,8 6,4 10 £-£с

Фиг. 3. Зависимость между электрической прочностью кристаллов щелочно-галоидных солей и их ионной составляющей диэлектрической проницаемости (е—ге).

Известно, что диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках связана с вращением доменов. Поэтому разбираемый вопрос о связи электронной и ионной поляризации в диэлектрике и его электрической прочности опытами названных исследователей не разрешался.

. Представляется интересным провести систематические исследования зависимости электрической прочности от диэлектрической проницаемости для диэлектриков и, в частности, для твердых растворов щелочно-гало-идных солей.

Выражаю благодарность проф. А. А. Воробьеву за обсуждение за-, тронутых в статье вопросов.

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Согласно Википедии, диэлектрической прочности определяется следующим образом:

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью. Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток.

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:
Максимальная электрическая нагрузка на диэлектрический материал, которую может выдержать без пробоя

Касаемо продуктов LPS Laboratories, особенно очистителей для контактов, мы проверяем сколько вольт требуется, чтобы продукт начал проводить электричество. Визуализировать тест на диэлектрическую прочность таким образом: в емкость наливаем очиститель для контактов, один контакт помещаем в жидкость, второй контакт в жидкость на противоположной стороне емкости, между двумя контактами нет прямого контакта, кроме как через жидкость. Постепенно повышаем напряжение до тех пор, пока напряжение не повысит диэлектрическое сопротивление жидкости, цепь замкнется, и лампочка загорится. Количество вольт, при котором цепь замыкается (электричество проходит между двумя контактами погруженными в жидкость) — это и есть диэлектрическая прочность жидкости. (См. диаграмму ниже).

Почему это важно? Если Вы электрик или техник в энергетике, зная напряжение на очищаемом оборудовании, и зная диэлектрическую прочность очистителя можно быть уверенным в безопасности операции. Например: бытовая розетка находится под напряжением 220 вольт. Для ее очистки требуется очиститель с диэлектрической прочностью более 220В. В линейке LPS есть много очистителей для контактов с диэлектрической прочностью от 9000В до более чем 45 000В. А Вы знаете, какой из очистителей контактов имеет диэлектрическую прочность 47,5 кВ (45 000В)?