Тепловий пробій - студопедія

Тепловий пробій виникає в тому випадку, коли кількість теплової енергії, що виділяється в діелектрику за рахунок діелектричних втрат, перевищує ту кількість енергії, яке може розсіюватися в даних умовах: при цьому порушується теплова рівновага і процес набуває лавиноподібного характеру.

Явище теплового пробою зводиться до розігріву матеріалу в електричному полі до температур, відповідних розплавлення, обвуглювання і ін. Електрична міцність при тепловому пробої є характеристикою не тільки матеріалу, а й вироби з нього, тоді як електрична міцність при електричному пробої служить характеристикою самого матеріалу. Пробивна напруга, обумовлене нагріванням діелектрика, пов'язане з частотою напруги, умовами охолодження, температурою навколишнього середовища та ін. Крім того, «електротеплове пробивна напруга» залежить від нагревостойкости матеріалу: органічні діелектрики (наприклад, полістирол) мають більш низькі значення електротеплових пробивних напруг, ніж неорганічні (кварц, кераміка), при інших рівних умовах, внаслідок їх малої нагревостойкости.

Типовими ознаками теплового пробою є експоненціальне зменшення пробивної напруги з ростом температури навколишнього середовища, а також зниження електричної міцності зі збільшенням часу витримки діелектрика в електричному полі. Для виникнення теплового пробою досить, щоб розігрілося яке-небудь одне місце діелектрика, де тепловіддача гірше або підвищені питомі діелектричні втрати. При цьому середня температура всього обсягу діелектрика мало відрізняється від температури, що мала місце до додатка до діелектрика напруги. Для того, щоб температура діелектрика не перевищувала деякого критичного значення, вище якого неминуче настає теплове руйнування діелектрика, необхідно правильно встановити допустиму напругу. При змінній напрузі діелектричні втрати розраховуються за формулою (25).

Виділяється в діелектрику теплота відводиться через електроди і розсіюється з їх поверхні. Відведена потужність розраховується за формулою

де # 947; - коефіцієнт теплопровідності Вт / (м 2 # 8901; К), S-площа тепловідведення, t і tо - відповідно температури зразка і навколишнього середовища.

Умова теплового рівноваги визначається рівністю потужності діелектричних втрат і розсіюється з поверхні діелектрика: Pа = PТ.

Для наочності подальших міркувань скористаємося графічним побудовою, показаним на мал.38, де в обраній системі координат зображені експоненти тепловиділення Pа = f (Т) при різних значеннях прикладеної напруги і пряма теплопередачі PT = f (Т).

Мал.38. Пояснення до розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої

При значенні прикладеної напруги U1 пряма теплопередачі є січною кривої тепловиділення, а отже, діелектрик нагріється до температури Т1. при якій настане стан стійкої теплового рівноваги, так як потужність тепловиділення дорівнює потужності, що відводиться від зразка. Якщо з якихось причин (наприклад, при збільшенні напруги) температура хоча б трохи перевищить значення Т1. то зразок мимовільно через деякий час повернутися в стан стійкої теплового рівноваги, тому що залежність відводиться потужності лежить вище залежно потужності діелектричних втрат. Отже, напруга U1 не буде шкідлива для діелектрика в даних умовах, якщо нагрівання до температури Т1 не приведе до механічного або хімічного руйнування структури матеріалу. При збільшенні напруги до значення U пряма теплопередачі виявиться дотичною до кривої тепловиділення, і, отже, буде тільки нестійке теплове рівновагу при температурі Т. При значенні прикладеної напруги U2 теплового рівноваги не виникне, тому температура буде наростати безмежно до теплового руйнування діелектрика. Таким чином, напруга U1. при якому має місце нестійкий граничний режим, може бути прийнято за напругу теплового пробою Uпр.

Згідно з умовою теплової рівноваги:

допустиме значення напруги розраховується за формулою

При тепловому пробої Uпр залежить від частоти прикладеної напруги, температури навколишнього середовища (початкової робочої температури діелектрика), площі електрода і від його властивостей: теплопровідності, діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Зі збільшенням частоти прикладеної напруги і температури пробивна напруга зменшується. Тепловий пробій розвивається протягом 10 -3 -10 -2 с, тобто у багато разів повільніше електричного пробою.

В реальних умовах явище теплового пробою протікає складніше, ніж було розглянуто. За товщиною діелектрика є перепад температури: середній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилеглі до електродів, опір його різко падає, що веде до спотворення електричного поля і підвищеним градиентам напруги в поверхневих шарах. Має значення також і теплопровідність матеріалу електродів. Все це сприяє пробою зразків при більш низькій напрузі, ніж отримані з наближеного розрахунку.

Різновидом теплового пробою можна вважати іонізаційний пробій. Він характерний для твердих пористих діелектриків і обумовлений іонізацією газу в порах. За рахунок іонізаційних втрат розігрівається поверхня закритих пір, виникають локальні перепади температури в діелектрику і пов'язані з ними термомеханічні напруги. Такі процеси особливо небезпечні в тендітних матеріалах, оскільки термомеханічні напруги можуть перевершити межа міцності матеріалу і викликати розтріскування діелектрика.