Загальна характеристика явища пробою

Пробій електричної ізоляції в постійному або змінному електричному полі пов'язують із різким нестаціонарним ростом провідності або діелектричних втрат. Причина їхнього зростання полягає в різкому збільшенні концентрації носіїв струму - електронів або дірок - внаслідок або ударної іонізації, або розігрівання діелектрика. Відповідно до цього розрізняють електричну й теплову форми пробою ізоляції. Хоча в літературі часто можна знайти згадування про іонізаційний, електрохімічний і інші форми пробою, однак, як правило, у всіх таких випадках мова йде про старіння, тобто підготовчі процеси, що приводять до погіршення електроізоляційних властивостей матеріалу. Сам же пробій, скоріше всього, відбувається за одним із двох основних механізмів: тепловому або електричному. Дискусійним є питання про можливості електромеханічного пробою полімерів, пов'язаного з нестаціонарною деформацією в електричному полі. Слід зазначити, що уявлення про пробій як явище, пов'язане лише з різким зростанням струму (саме така умова часто висувається як критерій пробою при теоретичному розгляді процесу), є не повним. Відмітною рисою пробою є нестаціонарний характер струму, його наростання при спаді напруги на ізоляції, тобто наявність негативної ділянки вольт-амперної характеристики. Тому при пробої крім процесу, відповідального за наростання струму, повинен існувати процес, що забезпечує дію позитивного зворотного зв’язку в пробивному проміжку

Як формальна модель електричного пробою може бути використаний підсилювач з додатним зворотним зв’язком (рис. 1), струм Iна виході якого зв’язаний з вхідним струмом І₀, коефіцієнтами підсилювання kта зворотного зв’язку gспіввідношенням І=І₀к/[1-g(к-1)]. Умовою пробою (необмеженого росту струму) євиконання рівності 1=g(к-1).

Рис. 1. Формальна схема явища пробою.

Із цієї аналогії випливає, що пробій можливий, якщо існують:

1) початковий струм і₀ (що ініціює процес), зумовлений наявністю вільних заряджених частинок в діелектрику, поява яких не пов’язана з дією поля на діелектрик;

2) механізм, що забезпечує підсилення струму на розрядному проміжку (первинний процес) згідно із співвідношенням і=і₀ k,де k - коефіцієнт зростання струму;

3) механізм зворотного зв’язку, що, як правило, зводиться до запізненої регенерації носіїв на зміну тим, що перенесені полем на електроди (вторинний процес);

4) виконується певне співвідношення інтенсивності первинних і вторинних процесів.

Таким чином, у загальному випадку для пробою необхідна наявність ініціюючих процесів, у результаті яких у проміжку між електродами з’являються носії струму; первинних процесів, відповідальних за збільшення кількості носіїв струму в проміжку; вторинних процесів, що забезпечують позитивний зворотний зв'язок і, тим самим, нестаціонарний характер явища.

Наведена модель полегшує розуміння закономірностей розвитку електричного пробою та залежності пробивної напруги від тиску газу, величини міжелектродного проміжку (закон Пашена), температури, форми поля (коронний розряд).

В загальному випадку розвиток пробою відбувається таким чином. В слабких електричних полях ініціюючі носії струму беруть участь в електропровідності. Первинні й вторинні процеси при цьому практично відсутні. При збільшенні напруженості поля зростає енергія ініціюючих носіїв, збільшується також частка енергії, що вони передають діелектрику, й інтенсивність первинних процесів. Утворені при первинних процесах носії різного знаку разом з ініціюючими рухаються до відповідних електродів. Якщо вторинні процеси відсутні, у проміжку встановлюється стаціонарне значення струму, що залежить від величини ініціюючого струму й інтенсивності первинних процесів. Якщо в цьому випадку усунути причину появи ініціюючих носіїв, то струм припиниться. Якщо ж почне діяти вторинний процес, що відтворює носії струму в проміжку в певній кількості замість перенесених полем на електроди, то процес стає таким, що сам підтримується, й необхідність в ініціюючих процесах відпадає. Перехід у цей самостійний режим проходження струму через ізоляцію й відповідає пробою.

Якщо і₀ - ініціюючий струм, b - коефіцієнт збільшення концентрації носіїв при русі через проміжок і γ - коефіцієнт, що характеризує зворотний зв'язок, то струм у проміжку, дорівнює:

при γ(b – 1)=1 необмежено зростає, а у випадку, коли і₀=0 й γ(b – 1)=1 стає невизначеним теоретично. На практиці він дорівнює струму, обмеженому зовнішнім, відносно проміжку, колом і втратами енергії в самому розряді. Отже, умова γ(b – 1)=1 є з формальної точки зору умовою пробою в електричному полі. Конкретний зміст параметрів, і₀, γі b залежить від конфігурації поля й тривалості дії прикладеної напруги, матеріалу електродів і діелектрика, температури, наявності й інтенсивності випромінювань? і інших факторів.

Перш ніж вивчати окремі форми пробою доцільно розглянути основні процеси, що можуть відігравати роль ініціюючих, первинних і вторинних при пробої електричної ізоляції.