Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

делах этой зоны, может беспрепятственно перемещаться по кристаллу. Нижняя зона, разделенная барьерами, называется нормальной зоной.

Зонная схема упрощенно (без указания периодичности потенциаль­

энергии решетки (рис. 7.3, б). При этом появляется возможность на-

а) W

зона

Рис. 7.3. Упрощенная зонная схема энергии электронов в диэлектрике при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего поля

правленного перемещения электронов в нормальной зоне против на­ правления электрического поля, а также переход электронов из нор­ мальной зоны в зону проводимости за счет туннельного эффекта. Это приводит при достаточно высоких напряженностях Е > Е а к резкому возрастанию электронной проводимости твердого диэлектрика, кото-

120

ствин импульсныхнапряжений. Быстрое повышение постоянного напряжения или переменного напряжения промышленной частоты также может привести к развитию электрического пробоя. Пробивное напряжение £/пр в однородном поле линейно возрастает с увеличением толщины диэлектрика d, начиная с нескольких десятков микрон. По­ этому электрическая прочность материала характеризуется опреде­ ленным значением пробивной напряженности £ вн, которая называется «истинной», или «внутренней», электрической прочностью диэлектри­ ка. В некоторых случаях обнаружена зависимость Ет от химического состава и структуры твердого диэлектрика. Для щелочногалопдных кристаллов установлена линейная зависимость между £ ІШи энергией

бивная напряженность практически не зависит от радиуса, а расчетное значение напряженности электри­ ческого поля у поверхности иглы при пробое значительно превышает электрическую прочность в однородном поле, что эквивалентно тому, как будто радиус кривизны острия несколько увеличивается.

Это явление связано с инжекцией электронов из иглы в диэлектрик при отрицательной полярности иглы. Они оседают на дискретных уров­ нях — ловушках, всегда присутствующих в реальных диэлектриках. Осевшие в ловушках электроны создают избыточный объемный отри­ цательный заряд, действие которого аналогично увеличению радиуса иглы. Таким образом, фактическая напряженность поля у иглы перед пробоем в действительности не превышает внутренней электрической прочности диэлектрика. В случае положительной полярности иглы также образуется объемный заряд за счет электронов, сорванных с дискретных уровней и переместившихся к игле.

Большинство диэлектриков, применяемых на практике, отличается неоднородностью своей структуры. Попадание в однородный диэлек­ трик включений, обладающих повышенной проводимостью или ди­ электрической проницаемостью, значительно снижает его электричес­ кую прочность. Это объясняется искажением электрического поля. Максимальная напряженность на поверхности включений может во много раз превосходить среднюю напряженность электрического поля,

127

которая достигает значения. внутренней электрической прочности среды при более низкой средней напряженности. Неоднородность структуры твердого диэлектрика не только снижает его электрическую прочность, но и увеличивает разброс пробивного напряжения.

Большую роль в импульсном пробое твердой изоляции играет ку­ мулятивный эффект, т. е. последовательное накопление мелких разру­ шений, происходящих при каждом импульсе и приводящих после до­ статочного числа импульсов к пробою. Необходимо различать два вида диэлектриков. В диэлектриках первого вида происходит полное или почти полное восстановление прежних диэлектрических свойств после приложения импульса, создавшего частичное его разрушение. К первому виду относится стекло, в котором при повторении импуль­ сов неполный пробой возникает каждый раз в новом месте, а после­ дующие разряды не идут по пути предыдущих. Это объясняется, повидимому, заполнением нарушенной области неповрежденным диэлек­ триком. Ко второму виду диэлектриков, в которых в основном сохраняются изменения, происшедшие при неполном пробое, относятся кристаллы и большинство твердых органических диэлектриков. В них при повторных импульсах разрушения обычно идут по тем же путям, что и предыдущие, удлиняя их.

б. Влияние окружающей среды на электрическую прочность твердых диэлектриков

При экспериментальном определении электрической прочности твердых диэлектриков необходимо учитывать влияние окружающей среды. Применение для определения прочности пластин твердого ди­ электрика электродов, создающих в средней своей части слабонеодно­ родное поле, почти всегда приводит к возникновению местных разря­ дов в окружающей среде у краев электродов. Рассмотрим пластину твердого диэлектрика толщинойd с диэлектрической проницаемостью «X и удельной проводимостью ух, расположенную менаду сферическими электродами радиусом г ;$> d и погруженную в среду заполнителя с характеристиками е2 и у, (рис. 7.6).

В области вблизи линии, соединяющей центры сфер, тангенциаль­ ная составляющая напряженности электрического поля Et существен­ но меньше нормальной составляющей Еп и Е х Е п.

а жидкого Дпр2; при этом из (7.7) следует, что местные разряды в ок­ ружающей среде, искажающие поле и снижающие пробивное напря­

123