Тепловой пробой твердых диэлектриков

Лавинный пробой

Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда путем ударной ионизации атомов полупроводника под действием сильного электрического поля.

Если электрическое поле, вызванное обратным напряжением, достаточно велико, то электроны и дырки, движущиеся через
р-n-переход, приобретают на длине свободного пробега энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и образуются новые электронно-дырочные пары, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем и могут участвовать в ударной ионизации атомов.

Количественной характеристикой процесса лавинного размножения носителей заряда является коэффициент лавинного размножения М, который представляет собой отношение тока, образованного носителями заряда, выходящими из обедненного слоя перехода, к току, обусловленному носителями заряда того же знака, входящими в обеденный слой:

M=|I|I.

Коэффициент лавинного размножения удовлетворяет условию M≥1, причем значение M возрастает с увеличением обратного напряжения на p—n-переходе.

Для оценки коэффициента лавинного размножения используется полуэмпирическая формула:

где Uлав. — напряжение лавинного пробоя; U
– обратное напряжение p—n-перехода, не превышающее напряжения пробоя; m — параметр, который определяется экспериментально и зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы
p—n-перехода (см. табл.).

С учетом лавинного размножения носителей заряда ВАХ p—n-перехода в области лавинного пробоя определяется выражением:

Анализ выражения (2.81) показывает, что при лавинном пробое заметный рост тока начинается при |U|≈0,3Uлав., а при |U|=Uлав.  M→∞, что соответствует неограниченному росту обратного тока перехода, который практически ограничивается сопротивлением внешних цепей.

Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: чем больше ширина запрещенной зоны, тем большую энергию должен приобрести носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле p—n-перехода, чтобы вызвать ударную ионизацию, поэтому большей ширине запрещенной зоны соответствует большее напряжение лавинного пробоя.

Повышение температуры приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда, поэтому для приобретения носителями энергии, достаточной для ударной ионизации атомов, требуется большая напряженность электрического поля. Следовательно, при повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, то есть температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования (удельного сопротивления) базы p—n-перехода. Эта зависимость выражается полуэмпирической формулой:

где параметры a и m
приведены в табл.

Из выражений (2.78), (2.79) и (2.82) следует, что отношение напряжений туннельного и лавинного механизмов пробоя находится в прямой зависимости от удельного сопротивления базы перехода: Uтун.Uлав.=ρБ1-m. При высоких значениях удельного сопротивления базы Uтун.>Uлав. и пробой носит лавинный характер; при низких значениях удельного сопротивления базы Uтун.<Uлав. и пробой носит туннельный характер.

На практике механизм пробоя определяют по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.

Связь с газом

Не все знают, как связаны между собой газ и изоляционные слои на электрическом оборудовании. При этом они тесно связаны между собой, поскольку газ считается хорошим диэлектрическим веществом.

С помощью газа обеспечивается изоляция на электрическом оборудовании, рассчитанном на большое количество вольт.

Для такой изоляции применяют:

1. Воздух.
2. Азот.
3. Гексафторид серы.

Гексафторид серы можно называть элегазом, он является одним из самых лучших способов обеспечения изоляции. Чтобы распределять и принимать электричество больше ста киловольт, применяют специальные устройства распределения.

Благодаря таким устройствам можно создавать отводы на электрических подстанциях, или создавать приём электрической энергии в большие города.

Для устройства распределения как раз используют элегаз. Его применяют не только как слой изоляции: газ может возникать при работе проводов, наполненных маслом. При прохождении напряжений с разным значением возникают прогрев и охлаждение.

«Термической деструкцией» называют кабели, где изоляционный слой из бумаги пропитан маслянистым веществом. При распаде целлюлозы образуется такие вещества, как метан, газы (углекислый и угарный), другие летучие вещества.

Когда слой изоляции начинает устаревать, может возникнуть пробой с ионизацией. По этой причине сегодня всё реже применяются проводники с изоляцией из пропитанной бумаги, а если они где и встречаются, то в сетях до тридцати пяти киловольт.

Напряжение пробоя воздуха.

Электрическая прочность диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Напряженность электрического поля, при которой электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, соответствующее значение напряженности поля – пробивной напряженностью Eпр или пробивной прочностью (электрической прочностью):

где h – толщина диэлектрика.

Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.

Различают два вида пробоя твердого диэлектрика: электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с первоначальных положений, что приводит к пробою.

Рассмотрим явление теплового пробоя.

Как известно, при работе диэлектрика в переменном электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала. Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому подобное).

https://youtube.com/watch?v=i2uOF8eJOT0

Пробой газообразных диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного диэлектрика.

В однородном электрическом поле (между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений, возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают волнистой.

На пробивную прочность жидких диэлектриков в сильной степени оказывают влияние влага, газы, механические и химические примеси. Пробой жидких диэлектриков возникнет в результате перегрева жидкости и разрушения ее молекул.

Рисунок 1. Ячейка для измерения напряжения пробоя Uпр жидких материалов 1 – сосуд; 2 — электроды

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Таблица 1

Электрическая прочность материалов

Основные понятия и виды старении изоляции

Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2—97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция — это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или га­зообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающие­ся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмос­ферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являют­ся воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в ат­мосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.

В эксплуатации на внутреннюю изоляцию электрооборудова­ния воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, имену­емое старением. Как правило, изменения свойств изоляции носят нео­братимый характер и завершаются пробоем. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восста­новительного ремонта изоляции .

Процессы старения изоляции ограничивают срок службы изо­ляционных конструкций. Поэтому при разработке, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования высокого напряжения дол­жны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоля­ции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно 20—30 лет и более).

Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуата­ции происходит за счет воздействия на нее различных видов энергии. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникно­вением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.

Электрическое старение изоляции

Электрическое старение может происходить при напряженостях электрического поля во много раз (5—20) меньше пробивных напряжений. С увеличением напряжения, приложенного к изо­ляции, темпы электрического старения возрастают, а срок службы соответственно уменьшается. Экспериментально установлено, что зависимость срока службы т от значения воздействующего напря­жения U в диапазоне значений от единиц до 104 ч имеет вид

где А — постоянная, зависящая от свойств изоляции; n — показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующе­го напряжения (n = 4—8 при напряжении промышленной частоты и n = 9… 12 при постоянном напряжении).

Для области больших сроков службы (более 104 ч) использу­ют другую формулу:

где Uчр — напряжение появления в изоляции частичных разрядов, являющих­ся основной причиной электрического старения внутренней изоляции.

Типичным значением постоянной А для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6-109 год/(кВ)n. Пока­затель степени п обычно выбирают равным 6. Таким образом, фор­мула (7.2) записывается так:

Частичные разряды представля­ют собой локальные пробои ослаблен­ных участков изоляции, которыми яв­ляются газовые полости. Зависимости t =f/( U) получили название «кривых жиз­ни» изоляции. Формулой пользу­ются для случая, когда U > Uчp. При U < Uчр электрического старения изо­ляции не происходит, и срок ее службы неограниченно возрастает. На рисунке 2.1. приведена «кривая жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе Рисунок 2.1 — Электрическое старение изоляции в логарифмическом массштабе

Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.

Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный — в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней. Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» ( история разработкитехническое описание ). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту — 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» — «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».

Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.

Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA

). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.

Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.

Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП)

Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.

Прочность в силовых кабелях

https://youtube.com/watch?v=mj8BS2abI6o

При повышенных номинальных значениях напряжения вес провода будет увеличиваться.

Существует несколько масел, используемых для пропитывания  изоляционного слоя:

• Дегазированные масла.
• Маловязкие масла (например, МН‑3).

Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность изоляционного слоя. Так, провода с давлением до пятнадцати атмосфер используют на линиях с большими значениями напряжения. Прочность при этом достигает пятнадцати киловольт на миллиметр.

Сегодня кабели с масляным слоем заменяются более современными, с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такие кабели обычно идут с аббревиатурой СПЭ. Вес таких проводов ниже, и их проще использовать, при этом срок эксплуатации у них одинаковый.

https://youtube.com/watch?v=UJ05KZlPQmQ

На СПЭ-кабели не оказывают большого воздействия температурные перепады. Кроме того, им не нужно дополнительное оборудование (например, масляные компенсирующие баки, чтобы масло всегда было на проводнике в случае пропитанной изоляции). Специалисты подтверждают, что СЭП проще обслуживать и ремонтировать.

СЭП сегодня активно развивается самыми разными производителями. При этом кабели значительно расширили свои характеристики, особенно по сравнению с кабелями с масляным слоем.

Минусом таких современных проводников является более быстрое старение. Тем не менее, современные компании производителей активно работает над этим моментом для устранения проблемы, и это уже значительно замедлило процесс старения изолирующего слоя в проводах.

https://youtube.com/watch?v=RxgQv9Slmaw

Если раньше причиной пробоев в слоях были триинги, сегодня их нельзя назвать большой проблемой.

Поскольку мир не обходится без использования электрической энергии, растёт и потребность в развитии проводников для проведения электрический проводок и линий электрического обслуживания.

Благодаря этому провода развиваются и совершенствуются, а кроме того, повышается электрическая прочность , благодаря чему провода служат значительно дольше.

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

• Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
• Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
• Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Почему прочность уменьшается

https://youtube.com/watch?v=UbkCeXNEvf4

Есть несколько основных факторов, которые напрямую влияют на уменьшение прочности в сети:

• Переменные напряжения;
•  Температурные значения.

В первом случае напряжение в сети может меняться. Например, на электрической станции линия достигает значений двести двадцать киловольт, но в случае поломок напряжение может упасть до ста десяти киловольт.

После обслуживания и ремонта напряжение вернётся к изначальным значением.

Такое напряжение и называют переменным, изменяющееся в определённый временной промежуток. Из-за того, что в России многие сети существуют довольно давно, они уже обзавелись своими ресурсами.

Переменное напряжение не является редким явлением для наших сетей.

При прохождении тока кабели соответственно нагреваются. Постоянные высокие температуры могут воздействовать на проводник, что влияет и на слой изоляции. Пробои напрямую зависят от разных температур.

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Тепловой пробой

Тепловой пробой имеет место в случаях, когда не обеспечивается отвод тепла от перехода при протекании обратного тока.
 

Тепловой пробой достаточно хорошо изучен как теоретически, так и экспериментально.
 

Тепловой пробой наблюдается в мощных вентилях и связан с нарушением теплового равновесия. Тепловой пробой происходит в случае, если выделяемое в р-п переходе количество тепла превышает отдаваемое окружающей среде. В результате температура диода начинает самопроизвольно повышаться вплоть до выхода прибора из строя.
 

Тепловой пробой в таердом диэлектрике возникнет при повышенных рабочих температурах, когда нарушается тепловое равновесие между теплом, выделяющимся в диэлектрике, и теплом, отводимым от него в окружающее пространство.
 

Тепловой пробой специфичен только для мощных германиевых транзисторов и наступает только в ограниченном числе случаев, в определенных условиях и режимах.
 

Тепловой пробой наступает в том случае, когда рассеиваемая мощность вызывает нагрев р-п перехода. Этот нагрев приводит к ла-виннообразному нарастанию тока, т.е. к пробою р-п перехода.
 

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду.
 

Тепловой пробой возникает вследствие лавинообразного нарастания температуры р-п перехода, к которому приложено большое обратное напряжение.
 

Тепловой пробой связан с тем, что в результате недостаточного теплоотвода от перехода его температура возрастает и, следовательно, возрастает концентрация неосновных носителей, создаваемых в результате тепловой генерации. Этот процесс, продолжая нарастать, приводит к значительному перегреву перехода и может разрушить его. Очевидно, что допустимое обратное напряжение в большой степени должно зависеть от условий охлаждения перехода.
 

Тепловой пробой имеет место и в таких жидких диэлектриках, как керосин или трансформаторное масло. Благодаря текучести жидкости в этом случае пробоя не остается проплавленного канала, как в твердых изолмторах.
 

Тепловой пробой происходит в твердых диэлектриках при достаточно длительном приложении значительного напряжения, когда начальный ток в диэлектрике, обусловленный наличием некоторого количества свободных электронов, будет достаточен для прогрессирующего местного или общего нагрева диэлектрика. При нагреве уменьшается сопротивление диэлектрика, ток и нагрев возрастают вплоть до пробоя. В случае кратковременного приложения напряжения может иметь место и электрический пробой. Импульсная прочность диэлектрика при этом обычно в несколько раз выше, чем прочность при тепловом пробое, когда для прогрева диэлектрика требуется некоторое время.
 

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
 

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
 

Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-п перехода или отдельного его участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон — дырка и, следовательно, увеличивается обратный ток, что ведет к увеличению мощности, выделяющейся в р-п переходе, и дальнейшему его разогреву. Этот процесс, также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка р-п перехода и выходом прибора из строя.
 

Подрывные устройства

Пробой диэлектрика в твердом изоляторе может навсегда изменить его внешний вид и свойства. Как показано на этой фигуре Лихтенберга

Подрывное устройство предназначено для электрического перенапряжения диэлектрика за пределами его диэлектрической прочности таким образом , чтобы преднамеренно причиной электрического пробоя устройства. Нарушение вызывает внезапный переход части диэлектрика из изолирующего состояния в состояние с высокой проводимостью . Этот переход характеризуется образованием электрической искры или плазменного канала, за которым может следовать электрическая дуга через часть диэлектрического материала.

Если диэлектрик является твердым, постоянные физические и химические изменения на пути разряда значительно снизят диэлектрическую прочность материала, и устройство можно использовать только один раз. Однако, если диэлектрический материал представляет собой жидкость или газ, диэлектрик может полностью восстановить свои изолирующие свойства после того, как ток через плазменный канал будет прерван извне.

Коммерческие искровые разрядники используют это свойство для резкого переключения высокого напряжения в импульсных энергосистемах , для защиты от перенапряжения в телекоммуникационных и электроэнергетических системах, а также для зажигания топлива через свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания . Искровые передатчики использовались в ранних радиотелеграфных системах.

Похожие записи:

Прибор ночного видения пнв-57е: описание, характеристики, отзывы Лучшие ибп для дома Ветроэнергетика Петля фаза нуль методика измерения Делаем проводку в гараже своими руками: схема подключения, электрощиток, заземление и фото Простой самодельный усилитель мощности нч на пяти транзисторах 100-200 ватт (tip142, tip147)