Пробой газообразных диэлектриков

   Пробой  газообразных диэлектриков

   Диэлектрик  конденсатора, как правило, подвергается воздействию сильного электрического поля. Его действие особенно существенно  в высоковольтных конденсаторах, однако и для низковольтных конденсаторов  напряженность поля достаточно высока, так как, чтобы повысить удельную емкость конденсатора, толщину диэлектрика выбирают малой. Для того чтобы исключить возможность пробоя или старения диэлектрика в этих условиях, надо хорошо знать закономерности и механизмы указанных явлений.

   Закономерности  пробоя газообразных диэлектриков важно  знать для оценки рабочих напряжений высоковольтных конденсаторов –  газонаполненных или имеющих  газовые включения в диэлектрике. Пробой газа при нормальном или повышенном давлении представляет собой искровой разряд, характеризующийся распространением в разрядном промежутке ярко светящихся каналов пробоя малого диаметра. Экспериментальные исследования показывают, что при пробое сравнительно небольших газовых промежутков сначала образуются электронные лавины, распространяющиеся обычно от катода к аноду со скоростью . Эти лавины обусловлены процессом ударной ионизации молекул газа электронами. Как только лавина достигает анода, от него к катоду с гораздо большей скоростью  распространяется так называемый стример, сопровождающийся ионизацией газа и состоящий из многочисленных, соединяющихся между собой лавин. Лавины появляются в объеме газа в результате фотоионизации одной из молекул фотонами, излучаемыми возбужденными молекулами, или в результате процессов рекомбинации электронов и ионов. Таким образом, стример образуется за счет двух основных процессов – фотоионизации и ударной ионизации.

   Пробивное напряжение газа  зависит от произведения давления  на расстояние  между электродами (закон Пашена) и почти одинаково как для пробоя между металлическими электродами, так и между диэлектрическими поверхностями в газовых прослойках изоляции. Зависимость  изображается кривой с минимумом (рис. 1.1). Объяснение закона Пашена и формы кривых  возможно на основе простейшей теории пробоя газа – теории Таунсенда. Согласно теории Таунсенда разряд в газе наступает в том случае, если в объеме газа происходит интенсивная ударная ионизация электронами, а образующиеся при этом положительные ионы, бомбардируя катод, обеспечивают поступление в объем газа вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации электронов, уходящих после ионизации на анод. Исходя из этой модели процесса, получают условие пробоя Таунсенда:

где  – коэффициент ударной ионизации Таунсенда;  – коэффициент ионно-электронной эмиссии из катода.

   В соответствии с правилами теории подобия,  и  представляют собой однозначные функции отношения , т.е.

   Подставляя  эти функции в условие пробоя Таунсенда и принимая во внимание, что  , получаем выражение:

из которого вытекает, что   является однозначной функцией произведения .

Рис. 1.1. Кривые Пашена для воздуха, кислорода и  водорода

   Снижение   с уменьшением  происходит до тех пор, пока длина пробега электрона между актами ионизации , остается значительно меньше расстояния между электродами . Как только  становится сравнимым с , достаточное для развития электронных лавин количество актов ионизации можно обеспечить лишь за счет существенного увеличения напряженности поля , чем и объясняется рост  с уменьшением  при малых значениях  или . В однородном поле для воздуха минимальное пробивное напряжение на кривой Пашена ( ). Следует, однако, отметить, что при атмосферном давлении характер зависимости  отличается от данных на рисунке 1.1: вместо возрастания  при уменьшении  сначала после достижения  наблюдается участок, где , затем  начинает уменьшаться. Эти особенности связаны с изменением механизма пробоя – вместо газового разряда, связанного с ударной ионизацией, в области  происходит, вероятно, пробой, связанный с эмиссией электронов из электрода, как это имеет место в вакууме. Нелинейная зависимость пробивного напряжения  от произведения  обусловливает нелинейную зависимость  при нормальном атмосферном давлении (рис. 1.2).

   Рис. 1.2. Зависимость 

   В неоднородном электрическом поле  существенно снижается. Например, для воздуха при см в неоднородном поле кВ, тогда как в однородном поле кВ. Кроме того, в неоднородном поле наблюдается зависимость пробивного напряжения от полярности электродов. Как правило, при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны  оказывается меньше, чем при отрицательной полярности (рис. 1.3). Это связано с образованием положительного объемного заряда вблизи острия в результате развития коронного разряда, что приводит в свою очередь к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

   Рис. 1.3. Зависимость 

   Однако  при малых давлениях и расстояниях  между электродами роль объемного  заряда невелика и значение  может оказаться меньшим при отрицательном потенциале электрода с малым радиусом кривизны. Это обусловлено существенной ролью эмиссии электронов из катода при малых расстояниях между электродами.

   Существенное  значение для конденсаторов имеет  явление перекрытия по поверхности твердого диэлектрика, граничащего с газообразным диэлектриком. Основные закономерности перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе в сравнительно однородном электрическом поле были исследованы с помощью электродов Роговского, между которыми помещались диэлектрические стержни цилиндрической формы с плотно прилегающими к электродам торцами.

   При малой влажности  воздуха, сравнительно невысоком значении  диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия  при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то  (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.

   Рис. 1.4. Зависимость 

   При малой  влажности воздуха, сравнительно невысоком  значении  диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия  при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то  (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.