Частицы, составляющие изоляционные материалы, могут быть электрически нейтральными и заряженными. Носителями зарядов могут быть электроны, ионы, заряженные молекулы или группы молекул, заряженный коллоид, возможные макроскопические частицы, возникающие или в результате действия теплового движения, или в результате внешних воздействий (облучение, электрическое поле, нагрев, химические реакции и т. д.).
Электрические процессы, происходящие в изоляционных материалах, зависят от числа и поведения этих заряженных частиц. Как известно, в металлах носителями зарядов являются практически не зависящие от структуры решетки и свободно передвигающиеся валентные электроны.
Движение заряженных частиц в изоляционных материалах ограничено, большинство этих частиц в некоторой степени связано с окружающей средой, так что активация их требует затраты энергии. Условия здесь, следовательно, более сложны, чем в металлах.
Если заряженные частицы перемещаются, то в изоляционном материале протекает электрический ток. Под действием электрического поля обычно одновременно двигаются разные заряженные частицы.
В изоляционных материалах, хотя и в малых количествах, всегда имеются заряженные частицы, которые под действием электрического поля могут сдвинуться относительно окружающей среды.
Даже в лучшем изоляционном материале проводимость всегда отлична от нуля. Под действием постоянного напряжения, приложенного к выводам конденсатора с изоляционным материалом, в цепи будет проходить ток.
Плотность тока проводимости в изоляции при нормальных рабочих условиях очень мала. Однако при повышении напряженности поля выше определенного значения, характерного для данного изоляционного материала, ток резко возрастает, изоляционные свойства материала ухудшаются, электрическая прочность его нарушается, наступает пробой.
В однородном и слабо неоднородном поле электрическая прочность нарушается одновременно по всему пространству между электродами. В сильно неоднородном поле вначале нарушается изоляция лишь вблизи электродов, а затем при большей напряженности поля наступает полный пробой.
Механизм пробоя ни теоретическими, ни практическими исследованиями полностью не выяснен и до сих пор является одним из наиболее сложных вопросов электротехники.
В общем случае пробой означает чрезвычайно сильное увеличение плотности тока. Процесс сопровождается интенсивными тепловыми, механическими, световыми, звуковыми и химическими явлениями.
Сильное возрастание плотности тока можно объяснить большим увеличением числа заряженных частиц. Быстрота процесса пробоя указывает на то, что такими частицами являются главным образом электроны.
Пробой твердых диэлектриков объясняют по-разному. Сначала предполагали, что причиной пробоя является разрыв атомов или образование положительной ионной лавины. Однако опыты не подтвердили такое представление.
Современные представления об электрическом пробое основаны на зонной теории. Для объяснения пробоя была исследована плотность тока, создаваемого электронами, переходящими из запретной в проводящую зону. Ввиду того, что и эти исследования не дали объяснения указанных явлений в твердых телах, стало необходимо ввести понятие ударной ионизации.
Современные теории предполагают образование электронной лавины в проводящей зоне и считают, что условия пробоя представляются энергетическим состоянием электронов. Электроны получают энергию от поля, часть которой посредством удара передают узлам решетки.
Энергия, передаваемая узлам, в принципе зависит от кинетической энергии электронов. В отдельных случаях на характеристиках образуются местные максимумы.
Теорию быстрых электронов разработал Герберт Фрёлих (теория пробоя по Фрёлиху). По этой теории ионизировать могут только те электроны, у которых кинетическая энергия Wk больше работы ионизации Wi.
Фрелих предложил для каждого материала брать некоторую гипотетическую температуру Тс. При температуре выше Тс число электронов, находящихся в примесных уровнях, достаточно для образования тока проводимости.
Основное значение имеют взаимодействия электронов, а столкновения электронов с узлами решетки не играют существенной роли. Такие условия справедливы для несовершенных кристаллов твердых изоляторов при высокой температуре, аморфных веществ и сильно примесных веществ.
Таким образом, большинство реальных диэлектриков обладает низкими гипотетическими температурами Тс (это же справедливо и для жидкостей).
При температуре ниже Тc концентрация электронов на примесном уровне низка, основное значение имеют удары электронов об узлы решеток, взаимодействием электронов можно пренебречь. К этой области относятся совершенные кристаллы, для которых Тс очень велико, и материалы, находящиеся при низких температурах.
Во время прохождения электронного потока энергия электронов проводимости в единице объема за единицу времени увеличивается. Электроны, находящиеся на примесных уровнях при температуре выше Тс, сообщают узлам решеток, колеблющимся с определенной частотой, энергию. Зная концентрацию электронов и вероятности передачи и поглощения энергии, можно построить зависимость N = f(T).
Исследование теплового пробоя твердых диэлектриков по теории быстрых электронов: а — температура выше Тc, б — температура ниже Тс
Каждому значению напряженности поля соответствует определенная энергия Wk, при которой наступает равновесие. Лавина возникает только в том случае, если энергия ионизации Wi меньше, чем Wk. Выполнение равенства Wk=Wt и определяет пробивную прочность материала.
Пробивная прочность, рассчитанная по теории быстрых электронов, обычно ниже действительной.
Теорию медленных электронов разработал Артур Хиппель. Для пробоя он поставил условие, чтобы увеличение энергии электронов превзошло потери энергии. В этом случае электроны ускоряются настолько, что наступает ионизация, и образуется электронная лавина.
Остаточные пространственные заряды вызывают увеличение напряженности поля, вследствие чего лавина нарастает, пока не наступает пробой. Расчетная электрическая прочность в этом случае обычно превосходит данные, полученные при опытах.
Несмотря на то, что теории квантовой механики Фрёлиха, Хиппеля и их последователей объясняют многие экспериментальные факты, все же эти теории нельзя считать законченными, они содержат ряд противоречий и, главное, не излагают вопрос о пространственном распространении пробоя.
Путь пробоя в диэлектрике сильно зависит от структуры материала, влияние которой не меньше, чем влияние формы электрического поля. Согласно исследованиям пространственное распределение пробоя твердых материалов имеет много сходного с газовым разрядом.
Теории теплового пробоя твердых материалов позволяют определить зависимость пробивного напряжения от температуры. Под действием тока, протекающего в изоляции, материал нагревается, его проводимость и потери в нем увеличиваются. Это влечет к дальнейшему увеличению тока и нагрева. Если диэлектрик не охлаждается окружающей средой, то он продолжает нагреваться до разрушения и пробоя.
Несмотря на то, что теория теплового пробоя во многих отношениях хорошо обоснована, она не дает объяснения некоторым результатам опытов.
На электрический пробой слабо влияют температура, проводимость и время приложения и сильно влияет неоднородность электрического поля. При тепловом пробое положение прямо противоположно.
Пробой твердых материалов можно разделить на два этапа. Сначала в диэлектрике протекают обратимые физические процессы, электрическая энергия превращается в другую энергию при возрастании внутренней энергии материала (повышается температура материала и возникают внутренние механические напряжения). Теории пробоя описывают в основном этот этап.
Выше определенного предела (строго говоря, этот предел соответствует пробивной прочности) дальнейшее увеличение энергии вызывает необратимые процессы в материале (химические изменения, изменение агрегатного состояния, механический разрыв и т. д.). Материал разрушается, окончательно теряет изоляционные свойства.
Тепловой и электрический пробои являются быстрыми процессами, приводящими к разрушению материала. Однако часто пробой происходит постепенно, длительное время, что может являться следствием химических изменений и внутренние разрядов.
Раньше различали также и химическую форму пробоя. При длительном действии напряжения могут происходить физические и химические изменения изоляциснного материала. Если это вызывает понижение электрической прочности, то через некоторое время наступит пробой. При постоянном токе это воздействие часто ускоряется электролизом, происходящим в изоляции, и проникновением в изоляцию ионов металла электродов.
В ослабленном материале, имеющем механические повреждения, пробой в принципе происходит так же, как и в материале в первоначальном состоянии: наступает электрический или тепловой пробой, изменяются основные параметры материала. Поэтому нет необходимости отдельно исследовать химическую форму пробоя.
Опыт эксплуатации электрического оборудования показал, что самое тщательное проектирование и строгие контрольные испытания изоляционных материалов не гарантируют безаварийную работу в процессе эксплуатации. Важность рассматриваемой проблемы доказывается уже тем, что согласно статистике большинство повреждений изоляции происходят по причинам, вызванным дефектами самих изоляционных материалов.
С повышением рабочих напряжений и передаваемых мощностей аварии, происходящие от пробоя изоляции электрических машин и аппаратов, становились все более серьезными. Эффективное предупреждение таких аварий стало экономически необходимым. Возник вопрос о необходимости периодической проверки изоляции машин высокого напряжения, трансформаторов, аппаратуры, кабелей и т. д. в процессе эксплуатации.
Смотрите также:
Электрическая прочность изоляции кабелей
Показатели качества изоляции - сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие