Вопрос 19. Пробой газообразных диэлектриков

При повышении приложенного к изоляции напряжения напряжённость электрического поля в диэлектрике превышает некоторое критическое значение, и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 108 А/м², сопротивление диэлектрика уменьшается до такого значения, что происходит короткое замыкание между электродами.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением (Uпр, кВ). Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика и, следовательно, не может являться характеристикой электроизоляционных свойств материала, из которого изготовлена изоляционная конструкция. Характеристикой способности материала сохранять электроизоляционные свойства при воздействии повышенного напряжения является электрическая прочность. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Епр = Uпр / h, кВ/мм, (1)

где h – толщина диэлектрика.

Пробой диэлектрика может происходить в однородном и неоднородном электрических полях. Однородным является электрическое поле, в каждой точке которого напряженность (Е) одинакова. В однородном электрическом поле электрическая прочность имеет четкий физический смысл. Она соответствует напряженности электрического поля, вызвавшего пробой электроизоляционного материала. В случае неоднородного электрического поля, определенная по формуле (1) электрическая прочность, является условным параметром, который служит для взаимного сравнения различных материалов, если они были испытаны в идентичных условиях.

Явления, имеющие место в изоляции после пробоя, определяются как свойствами изоляционного материала, так и мощностью источника электрической энергии. В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения диэлектрика. После снятия напряжения в твердом диэлектрике может быть обнаружен след пробоя в виде пробитого, проплавленного, прожженного отверстия. При повторном приложении напряжения к подвергшейся пробою твердой изоляции оказывается, что пробой по уже пробитому месту происходит при весьма малом напряжении.

Таким образом, пробой твердой изоляции в электрических двигателях, аппаратах, кабелях и т. п. означает аварию, выводящую данные устройства из строя и требующую ремонта. Если же пробой происходит в жидком или газообразном диэлектрике, то в силу большой подвижности частиц после снятия напряжения пробитый участок диэлектрика полностью восстанавливает свои изоляционные свойства. То есть в отличие от газообразных и жидких диэлектриков, пробой твердых диэлектриков является необратимым процессом.

В твердых диэлектриках могут наблюдаться три основных механизма пробоя:

1) электрический;

2) тепловой;

3) электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится – постоянного или переменного: импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т.д.