В момент пробоя ток утечки через диэлектрик резко возрастает, а сопротивление изоляции соответственно снижается, так что dI / dU ® ¥ .

В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие чего образовывается сильно проводящий канал между электродами и образец оказывается короткозамкнутым, напряжение при этом начинает падать, несмотря на рост тока.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным U_пр , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Е_пр.

Пробивное напряжение U _пр электрической изоляции зависит от ее толщины, т.е. от расстояния между электродами: чем толще слой электроизоляционного материала, тем выше пробивное напряжение. Но различные диэлектрики одной и той же толщины имеют отличные значения пробивного напряжения U _п.р.

Электрическая прочность Е_пр является важнейшим параметром диэлектрического материала, характеризует способность материала противостоять разрушению в электрическом поле и широко используется при расчетах и конструировании электрической изоляции, машин, трансформаторов, кабелей, конденсаторов и других устройств, а также для оценки их надежности и долговечности

Для простейшего случая однородного электрического поля электрическая прочность диэлектрика рассчитывается по формуле:

E _пр = U _пр / h (1)

где E _пр – электрическая прочность В/м; МВ/м

U _пр – пробивное напряжение, В;

h – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции U _раб должно быть существенно меньше пробивного напряжения. Отношение U _пр / U _раб называют коэффициентом запаса прочности.

Физическая природа пробоя

Различают четыре основных вида пробоя диэлектриков:

1. Электрический пробой.

2. Электротепловой пробой.

3. Электрохимический пробой.

4. Ионизационный пробой.

Электрический пробой. Этот вид пробоя вызывается ударной ионизацией электронами и протекает практически мгновенно в течение 10^-8 – 10^-5 с. В процессе электрического пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, молекул или ионов. В случае электрического пробоя электрическая прочность Е_пр газообразного диэлектрика (воздуха) при нормальных условиях достигает значения Е_пр = 3МВ/м (амплитудное значение для U _~ , h =1 см)

Электротепловой (тепловой) пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Время развития и величина U _пр теплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10^-3 – 10^-2 с., он во много раз медленнее электрического.

При электротепловом пробое U _пр зависит от частоты приложенного напряжения (при возрастании частоты U _пр уменьшается) и от температуры окружающей среды (начальной работы температуры диэлектрика), уменьшаясь при ее возрастании.

Переход из области чисто электрического пробоя в область электротеплового пробоя зависит от следующих факторов:

- возрастание начальной температуры;

- переход от постоянного напряжения к переменному с дальнейшим повышением частоты;

- ухудшение условий охлаждения.

Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³ – 10⁸ с. и называется временем жизни диэлектрика t _ж . Время жизни зависит от напряжения и температуры: с увеличением напряжения или температуры t _ж , как правило, уменьшается.

Ионизационный пробой обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике и объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика. Он характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях электрического в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование ионов и выделение тепла. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Е_пр.

Пробой газообразных диэлектриков

Газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике: высоковольтные выключатели, газонаполненные конденсаторы, распределительные устройства электростанций. В ряде случаях присутствие газообразных диэлектриков становится неизбежным. В линиях электропередачи высокого напряжения, в электроизоляционных узлах трансформаторов воздух является основной изолирующей средой.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками невелика. Но и газы обладают характерными ценными свойствами:

1 Восстановление электрической прочности после разряда.