Материалы электроники и электротехники. Королёв А.П - 30 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом
температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки
диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях
t).
Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что
преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Для рассеиваемой мощности известно выражение:
(
)
[
]
h
TTSfU
P
10
о0
2
108,1
exptg
⋅
−αδε
=
,
где
U – приложенное напряжение; f – частота; ε – относительная диэлектрическая проницаемость (считаем её не зависящей
от температуры);
tgδ
0
– тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; α – температурный коэффициент тангенса угла
диэлектрических потерь;
Т – температура нагретого за счёт диэлектрических потерь материала; Т
о
– температура
окружающей среды;
S – площадь электрода; h – толщина диэлектрика.
Температура
Т по всему объёму материала, находящемуся в поле между электродами (краевым эффектом
пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая
(достаточно справедливое допущение).
Так как теплопроводность металла электродов за редким исключением на два-три порядка больше, чем
теплопроводность диэлектрика, будем считать, что теплоотвод из нагревающегося объёма производится в окружающую
среду через электроды (теплоотводом через торцевую поверхность диэлектрика пренебрегаем). Мощность, отводимая от
диэлектрика, выражается с помощью формулы Ньютона:
(
)
0
2 TTSP
T
−
α
=
,
где α
– суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду.
Пробивное напряжение при тепловом пробое рассчитывается по формуле:
0
пр
tg δαε
α
=
f
h
KU
,
где
K – числовой коэффициент, равный 1,15 – 10
5
, если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ.
Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше (α
больше), а диэлектрик толще; оно будет меньше при высоких частотах, больших коэффициенте диэлектрических потерь εtgδ
и температурном коэффициенте тангенса угла потерь α.
В реальных условиях явление теплового пробоя протекает более сложно, чем было рассмотрено. По толщине
диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам,
сопротивление его резко падает, что ведёт к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в
поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Всё это способствует пробою
образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближённого расчёта.
Разновидностью теплового пробоя можно считать
ионизационный пробой. Он характерен для твёрдых пористых
диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счёт ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых
пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие
процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел
прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.
Электрохимический пробой. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное
значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и
переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое
уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь
место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым
эффектом и восстановлением, например в керамике, окислов металлов переменной валентности.
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением
электропроводности. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, TiO
2
),
электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния,
магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих органических материалов; он во многом зависит от
материала электродов.
Поверхностный пробой. При испытании и эксплуатации твёрдых диэлектриков с высокой электрической прочностью
может наблюдаться явление поверхностного пробоя, под которым понимают пробой газа или жидкости вблизи поверхности
твёрдого диэлектрика. По существу в случае поверхностного пробоя электрическая прочность твёрдого диэлектрика не
нарушается, однако образование проводящего канала на поверхности существенно ограничивает рабочие напряжения
изолятора.

Страницы