(тепловой пробой)

Данный вид пробоя сводится к разогреву диэлектрика в электрическом поле, приводящему к его растрескиванию, обугливанию или сгоранию. Это происходит, когда тепло, выделяемое в изделии за счет диэлектриче­ских потерь, превышает тепло, отводимое от его поверхности. Пробивное напряжение при электротепловом пробое зависит от частоты поля, усло­вий охлаждения, температуры окружающей среды, формы изделия, и нагревостойкости материала, его теплопроводности.

В большинстве случаев теплоотвод от нагретого диэлектрика обусловлен конвекцией воздуха, теплопроводностью и лучеиспусканием – условия работы подвесных керамических изоляторов линий передач, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место в кабелях, вводах, проходных изоляторах.

Рассмотрим условия теплового равновесия для изоляционного изде­лия и расчет рабочего и пробивного напряжения, для него при помощи уравнений для тепла, выделяющегося в изделии (Р_а) и тепла, отводимого от него (Q). Используем при этом графики зависимости Р_а и Q от темпера­туры и знание того, что тепловой пробой обусловлен нарушением тепло­вого равновесия диэлектрика и окружающей среды вследствие больших диэлектрических потерь (Р_а).

Мощность Р_а, выделяющаяся в диэлектрике (изделии), емкость которого С, при подаче на него напряжения U с угловой частотой ω, равна

 тепловыведение (нагрев).        (5.26)

Тепловая мощность Q, отводимая от нагретого изделия, пропорциональна суммарному коэффициенту теплоотдачи – σ, площади поверхности – S и разности температур изделия Т_д и окружающей среды Т₀      

 теплоотвод (теплоотдача).    (5.27)

Условие теплового равновесия изделия определяется равенством этих мощностей

                                         (5.28)

На  рис. 5.23 представлены зависимости Р_а и Q от температуры.

В общем случае они имеют пересечения при температуре Т_д1 и Т_д2, а значит, в этих точках имеет место тепловое равновесие диэлектрика (изделия), т. е. Р_а = Q.

Т_д1 – температура, при которой имеет место устойчивое динамическое тепловое равновесие диэлектрика. При меньшей температуре (Т<Т_д1) он будет нагреваться, т. к. Q < Р_а, а если температура его немного превысит U , то диэлектрик начнет охлаждаться, т. к. Q > P_a. Используя это в точке, можно приравнять уравнения для Р_а и Q и определить напряжение, при котором диэлектрик может устойчиво работать, имея запас по нагреву.

Т_{д. кр} — это температура тоже теплового равновесия, но если она будет превышена хоть на долю градуса, начнется развитие теплового пробоя. Её можно назвать критической температурой теплового равновесия и по ней, приравняв Q и Р_а, можно определить напряжение теплового пробоя.

Рассуждая таким образом, запишем выражения для рабочего и пробивного напряжения для рассматриваемого изделия (диэлектрика)

    и               (5.29)                                      

Рис. 5.23

Электротепловой пробой диэлектриков зависит от нагревостойкости материала. Чем выше нагревостойкость диэлектрика, тем при более высо­ких температурах будет развиваться тепловой пробой. Для двух диэлектриков с разными классами нагревостойкости поведение  показано на рис. 5.24.

Рис. 5.24

1-я – зависимость принадлежит органическому диэлектрику (класс нагревостойкости У – 90 ºС);

2-я – неорганическому диэлектрику (класс нагревостойкости C ≥ 180 °C). До температуры 90 ºС для кривой 1, и 180 °С для кривой 2 имеет место электрический пробой, а после этих температур (для соответствующих диэлектриков) будет развиваться тепловой пробой – наблюдается довольно резкий спад электрической прочности.

Существуют и другие виды пробоя, которые могут иметь место при специфических условиях. Ниже приводятся некоторые из них.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при повышенных температурах. Под действием сил электростатического притяжения между токоведущими частями изделия происходит механическое сдавливание диэлектрика, которое может привести к его механическому разрушению.

Электротермомеханический пробой может иметь место в хрупких пористых диэлектриках, например в керамике. При ионизации газа в порах керамики образуются перегретые области, их расширение больше, чем в других областях. В результате в диэлектрике возникают механические напряжения, приводящие к микротрещинам, а в итоге может произойти механическое разрушение диэлектрика.

Поверхностный пробой твердых диэлектриков может происходить, если в процессе эксплуатации поверхность диэлектрика подвергается действию загрязнений, увлажнению. При этом значительно уменьшается сопротивление поверхности и повышается ток, а соответственно и температура. Это может вызывать интенсивное разложение молекул кислорода воздуха (воды) на атомарный кислород. Под воздействием этих факторов происходит деструкция (разложение) поверхности диэлектрика, которая у ряда материалов сопровождается выделением углерода в виде проводящих мостиков – треков.

Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя называется трекингом диэлектриков.