1.2.2.2. Механізм електричного пробою твердих діелектриків

Електричний пробій твердих діелектриків відбувається в тих випадках, коли виключена можливість істотного розігріву діелектрика або процесів старіння.

Ознаками електричного пробою можуть служити:

а) незалежність U_пр від температури;

б) слабка залежність U_пр від часу (не рахуючи дуже коротких часів, < 10^–6 с);

в) значний вплив локальних нерівномірностей електричного поля.

У твердих діелектриках, так само як у газоподібних і рідких, необхідно виділити 2 стадії розвитку каналу розряду:

1. Формування розряду: поява (джерело) вільних заряджених часток (електрони, іони), утворення іонізаційних процесів, протікання струму через діелектрик, створення провідного шляху.

2. Завершення розряду: швидке наростання струму через діелектрик, спад напруги до нуля.

Весь цей процес може бути зображений графічно за допомогою вольтамперної характеристики (рис. 1.34), де 0а – провідність діелектрика не змінюється (дотримується закон Ома); ав – струм швидко зростає не пропорційно напрузі (порушення закону Ома); вс – передпробивний стан, після якого струм катастрофічно збільшується за рахунок збільшення провідності (спадання напруги при цьому на діелектрику зменшується).

Пробій твердих діелектриків завжди асоціюється з виникненням каналу, що володіє високою провідністю і замикається розрядним проміжком.

Електричний пробій звичайно зв'язують із короткочасним, імпульсним впливом на ізоляцію високої напруги. Відсутність науково обґрунтованих інженерних методів розрахунку утрудняє ефективне використання твердої ізоляції у всьому різноманітті сучасного її застосування. При електричній формі пробою за аналогією з газоподібними діелектриками механізм пробою твердих діелектриків ґрунтувався також на ударній іонізації валентної зони. Сама ж реалізація цього механізму покладалася очевидно..

Ю.Н. Вершиніним запропонований (2000 р.) інший підхід і опис механізмів електричного пробою твердих діелектриків, що дозволяє цілеспрямовано вибирати діелектрики і їхні властивості, що забезпечують необхідні технічні вимоги до електричної ізоляції високовольтних пристроїв і установок.

Поширення каналів розряду нерозривно пов'язане з виникненням і переміщенням в обсязі твердого діелектрика фазових переходів першого роду. При розряді з катода це перехід «тверде тіло -розплав», а при розряді з анода - «тверде тіло - щільна плазма». Виникнення первинного каналу розряду як з катода, так і з анода має однакову теплову фізичну природу. Розходження складається лише в тому, що при розряді з катода в його формуванні беруть участь переважно невласні електрони, а при розряді з анода - власні електрони із дрібних донорних рівнів. Знання цих механізмів дозволяє управляти даним процесом, наприклад методом легування приелектродних областей.

Предпробивний етап розвитку розряду у твердих діелектриках складається із двох стадій. На першій стадії відбувається формування початкової ділянки каналу – первинного каналу розряду. Ця стадія є наслідком виникнення в приелектродній області розрядного проміжку електронів провідності і розвитку нестійкостей у їхньому колективі. При досягненні в локальній області діелектрика щільності струму j, що перевищує деяке критичне значення j_кр, у ній створюються умови для переходу твердої речовини діелектрика в його розплав.

Закономірності і механізм формування розряду

Предпробивний етап розвитку імпульсного розряду завершується при замиканні каналом усього розрядного проміжку. Цим завершується перша стадія. Друга стадія починається, коли електричний розряд переходить у стан дуги, що горить в обмеженому просторі. На цьому завершальному етапі пробою принципово змінюються фактори, що визначають фізичний зміст процесу. На предпробивному етапі визначальними факторами є параметри імпульсу напруги, властивості діелектрика і геометрія розрядного проміжку. На другому етапі головна роль приділяється електричним параметрам розрядного ланцюга і джерела енергії. Це одна з моделей, що описує електричний пробій твердих діелектриків. Вона заснована на сучасних досягненнях фізики твердого тіла (наука про процеси, що відбуваються у твердих діелектриках при впливі сильних електричних полів). Проте, використовувати її для розрахунків ізоляційних пристроїв високовольтних конструкцій, для інженерної практики важко. Потрібна подальша розробка як висунутих ідей, так і нових підходів. Як сказав великий учений в області електричного розряду Г. Ретер, «між катодом і анодом існує більше явищ, ніж це представляється нашій уяві»