Электрическая прочность изоляции кабелей и испытания кабелей

Тепловой пробой — диод

Тепловой пробой диода — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе теплоты вследствие прохождения тока через переход. При подаче на диод обратного напряжения практически все оно падает на р-л-переходе, через который идет, хотя и небольшой, обратный ток.
 

Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
 

Тепловой пробой диода — — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче на диод обратного напряжения практически все оно падает на р-л-переходе, через который идет, хотя и небольшой, обратный ток.
 

Тепловой пробой диода — это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе теплоты вследствие прохождения тока через переход. При подаче на диод обратного напряжения практически все оно падает на р-я-переходе, через который идет, хотя и небольшой, обратный ток.
 

Следовательно, пробивное напряжение при тепловом пробое диода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением

Особое внимание следует обратить на сильную зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. Пробивное напряжение уменьшается, во-первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от р-и-перехода.
 

Следовательно, пробивное напряжение при тепловом пробое диода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением

Особое внимание следует обратить на сильную зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды. Пробивное напряжение уменьшается, во-первых, в связи с увеличением выделяющейся мощности при тех же обратных напряжениях и, во-вторых, из-за ухудшения теплоотвода от р-п-перехода.
 

Еще одним следствием шнурования тока при тепловом пробое диода является возможность получения своеобразной ВАХ — так называемой у-образной ВАХ, которая на первый взгляд противоречит тепловому механизму пробоя диода.
 

Чрезмерное увеличение тока нагрузки может привести к тепловому пробою диода. Для избежания этого в технических данных диода, кроме номинальных параметров указывается так же и максимально допустимая величина тока нагрузки и допустимая длительность нагрузки. Для обеспечения надежной работы полупроводниковых диодов их снабжают системой охлаждения.
 

Под вторичным пробоем понимают явления, связанные с разогревом коллекторного перехода и приводящие к резкому увеличению коллекторного тока при одновременном уменьшении коллекторного напряжения. При вторичном пробое транзистора, как и при тепловом пробое диода, происходит шнурование тока, проходящего через коллекторный переход.
 

При этом обратное сопротивление кремниевого диода от величины порядка мегома резко падает до величин нескольких ом. У кремниевого диода этот эффект обратимый и используется для ограничения и стабилизации напряжения. В германиевых диодах при обратном напряжении, близком к пороговому напряжению, возникает явление теплового пробоя диода, ввиду того, что при этом происходит некоторое выделение тепла и дополнительная тепловая ионизация в полупроводнике.
 

Лавинный пробой

Механизм лавинного пробоя заключается в лавинном размножении носителей заряда путем ударной ионизации атомов полупроводника под действием сильного электрического поля.

Если электрическое поле, вызванное обратным напряжением, достаточно велико, то электроны и дырки, движущиеся через
р-n-переход, приобретают на длине свободного пробега энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходят разрыв ковалентных связей и образуются новые электронно-дырочные пары, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем и могут участвовать в ударной ионизации атомов.

Количественной характеристикой процесса лавинного размножения носителей заряда является коэффициент лавинного размножения М, который представляет собой отношение тока, образованного носителями заряда, выходящими из обедненного слоя перехода, к току, обусловленному носителями заряда того же знака, входящими в обеденный слой:

M=|I|I.

Коэффициент лавинного размножения удовлетворяет условию M≥1, причем значение M возрастает с увеличением обратного напряжения на p—n-переходе.

Для оценки коэффициента лавинного размножения используется полуэмпирическая формула:

где Uлав. — напряжение лавинного пробоя; U
– обратное напряжение p—n-перехода, не превышающее напряжения пробоя; m — параметр, который определяется экспериментально и зависит от материала полупроводника и типа проводимости базы
p—n-перехода (см. табл.).

С учетом лавинного размножения носителей заряда ВАХ p—n-перехода в области лавинного пробоя определяется выражением:

Анализ выражения (2.81) показывает, что при лавинном пробое заметный рост тока начинается при |U|≈0,3Uлав., а при |U|=Uлав.  M→∞, что соответствует неограниченному росту обратного тока перехода, который практически ограничивается сопротивлением внешних цепей.

Напряжение лавинного пробоя зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника: чем больше ширина запрещенной зоны, тем большую энергию должен приобрести носитель заряда на длине свободного пробега в электрическом поле p—n-перехода, чтобы вызвать ударную ионизацию, поэтому большей ширине запрещенной зоны соответствует большее напряжение лавинного пробоя.

Повышение температуры приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда, поэтому для приобретения носителями энергии, достаточной для ударной ионизации атомов, требуется большая напряженность электрического поля. Следовательно, при повышении температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, то есть температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.

Напряжение лавинного пробоя зависит от степени легирования (удельного сопротивления) базы p—n-перехода. Эта зависимость выражается полуэмпирической формулой:

где параметры a и m
приведены в табл.

Из выражений (2.78), (2.79) и (2.82) следует, что отношение напряжений туннельного и лавинного механизмов пробоя находится в прямой зависимости от удельного сопротивления базы перехода: Uтун.Uлав.=ρБ1-m. При высоких значениях удельного сопротивления базы Uтун.>Uлав. и пробой носит лавинный характер; при низких значениях удельного сопротивления базы Uтун.<Uлав. и пробой носит туннельный характер.

На практике механизм пробоя определяют по знаку температурного коэффициента напряжения пробоя.

Напряжение — тепловой пробой

Напряжение теплового пробоя уменьшается с увеличением температуры, так как при этом возрастает температура р — — перехода, а следовательно, уменьшается обратное допустимое напряжение.
 

Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводности самой изоляции, электродов и других элементов конструкции, а также тепловыделения в токоведущих частях.
 

Напряжение теплового пробоя сильно зависит от температуры окружающей среды и условий теплоотвода.
 

Напряжение теплового пробоя существенно зависит от конструкции диода, которая определяет условия отвода тепла от перехода. Качество теплоотвода определяется тепловым сопротивлением — Rt, показывающим, на сколько градусов повысится температура перехода Д / при повышении рассеиваемой мощности на АР.
 

Напряжение теплового пробоя обратно пропорционально току через прибор. Поэтому тепловой пробой может возникнуть после того, как обратный ток возрастет благодаря туннельному эффекту или эффекту ударной ионизации. Этим объясняется наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением после участков, соответствующих туннельному или лавинному пробою.
 

Напряжение теплового пробоя зависит от температуры, а следовательно, от тока длительности и формы импульсов

При некоторых длительностях и скважностях тепловой механизм практически прекращает свое влияние на величину напряжения пробоя. Уже в начале активной области при токах, превышающих 1к о лишь в 2 — 3 раза, напряжение теплового пробоя резко возрастает, и единственной причиной, ограничивающей напряжение коллектора, остается лавинный пробой.
 

Напряжение теплового пробоя непосредственно связано с температурой окружающей среды.
 

Величина напряжения теплового пробоя зависит от температуры окружающей среды. Если Г01ф возрастает, то Ротв становится меньше и пробой наступает при меньшей величине обратного напряжения.
 

Следовательно, напряжение теплового пробоя полупроводникового диода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением

Особое внимание следует обратить на сильную зависимость напряжения теплового пробоя от температуры окружающей среды.
 

При расчетах напряжения теплового пробоя в первую очередь должны учитываться тангенс угла диэлектрических потерь и зависимость величины tg6 от температуры.
 

Электрическая прочность диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика является одной из основных характеристик изолирующих материалов. Напряженность электрического поля, при которой электроизолирующий материал может нормально работать, не должна превышать некоторого вполне определенного значения. При некотором значении напряженности происходит нарушение процесса работы диэлектрика, материал его пронизывается искрой, переходящей в дугу. Диэлектрик теряет при этом свои изолирующие свойства, сопротивление его резко уменьшается, и токоведущие части, разделенные ранее изолирующим промежутком, замыкается накоротко. Наступает пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, соответствующее значение напряженности поля – пробивной напряженностью Eпр или пробивной прочностью (электрической прочностью):

где h – толщина диэлектрика.

Совершенно ясно, что электроизоляционный материал в условиях эксплуатации не должен работать при напряжении, могущем вызвать пробой диэлектрика.

Различают два вида пробоя твердого диэлектрика: электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой объясняется разрушением структуры вещества под действием сил электрического поля. В слабом электрическом поле электрические заряды упруго смещаются, вызывая поляризацию диэлектрика. Если же напряженность поля достигает величины пробивной напряженности, происходит срыв заряженных частиц с первоначальных положений, что приводит к пробою.

Рассмотрим явление теплового пробоя.

Как известно, при работе диэлектрика в переменном электрическом поле выделяется тепло за счет электрических потерь. При отрицательном температурном коэффициенте сопротивления нагрев материала будет сопровождаться уменьшением сопротивления диэлектрика. Это приведет к увеличению тока, проходящего сквозь диэлектрик, и еще более сильному нагреву материала. Таким образом, процесс нагрева все время усиливается до тех пор, пока материал не нагреется настолько, что будет разрушен (расплавлен, обуглен и тому подобное).

Пробой газообразных диэлектриков (воздуха) вызван образованием и движением ионов в газообразной среде при высоких значениях напряженности электрического поля. В некоторый момент быстрое движение ионов в газообразной среде приводит их к столкновению с нейтральными молекулами газа и образованию новых ионов. Это явление сопровождается резким увеличением числа ионов в газе, вследствие чего сопротивление газа уменьшается (ударная ионизация). Наступает пробой газообразного диэлектрика.

В однородном электрическом поле (между двумя остриями, острием и плоскостью, проводами высоковольтных линий и тому подобного), в местах, где напряженность поля достигает критических значений, возникает тихий разряд, сопровождающийся жужжанием или потрескиванием с образованием фиолетового свечения (явление короны). С увеличением напряжения тихий разряд может перейти в искровой, затем в кистевой и, наконец, в дуговой разряд (если мощность источника напряжения велика). Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным разрядом (перекрытием). Для увеличения поверхности изоляционных деталей ее делают волнистой.

На пробивную прочность жидких диэлектриков в сильной степени оказывают влияние влага, газы, механические и химические примеси. Пробой жидких диэлектриков возникнет в результате перегрева жидкости и разрушения ее молекул.

Рисунок 1. Ячейка для измерения напряжения пробоя Uпр жидких материалов 1 – сосуд; 2 — электроды

В таблице 1 представлены данные электрической прочности некоторых изоляционных материалов.

Таблица 1

Электрическая прочность материалов

Тепловой пробой

Тепловой пробой имеет место в случаях, когда не обеспечивается отвод тепла от перехода при протекании обратного тока.
 

Тепловой пробой достаточно хорошо изучен как теоретически, так и экспериментально.
 

Тепловой пробой наблюдается в мощных вентилях и связан с нарушением теплового равновесия. Тепловой пробой происходит в случае, если выделяемое в р-п переходе количество тепла превышает отдаваемое окружающей среде. В результате температура диода начинает самопроизвольно повышаться вплоть до выхода прибора из строя.
 

Тепловой пробой в таердом диэлектрике возникнет при повышенных рабочих температурах, когда нарушается тепловое равновесие между теплом, выделяющимся в диэлектрике, и теплом, отводимым от него в окружающее пространство.
 

Тепловой пробой специфичен только для мощных германиевых транзисторов и наступает только в ограниченном числе случаев, в определенных условиях и режимах.
 

Тепловой пробой наступает в том случае, когда рассеиваемая мощность вызывает нагрев р-п перехода. Этот нагрев приводит к ла-виннообразному нарастанию тока, т.е. к пробою р-п перехода.
 

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду.
 

Тепловой пробой возникает вследствие лавинообразного нарастания температуры р-п перехода, к которому приложено большое обратное напряжение.
 

Тепловой пробой связан с тем, что в результате недостаточного теплоотвода от перехода его температура возрастает и, следовательно, возрастает концентрация неосновных носителей, создаваемых в результате тепловой генерации. Этот процесс, продолжая нарастать, приводит к значительному перегреву перехода и может разрушить его. Очевидно, что допустимое обратное напряжение в большой степени должно зависеть от условий охлаждения перехода.
 

Тепловой пробой имеет место и в таких жидких диэлектриках, как керосин или трансформаторное масло. Благодаря текучести жидкости в этом случае пробоя не остается проплавленного канала, как в твердых изолмторах.
 

Тепловой пробой происходит в твердых диэлектриках при достаточно длительном приложении значительного напряжения, когда начальный ток в диэлектрике, обусловленный наличием некоторого количества свободных электронов, будет достаточен для прогрессирующего местного или общего нагрева диэлектрика. При нагреве уменьшается сопротивление диэлектрика, ток и нагрев возрастают вплоть до пробоя. В случае кратковременного приложения напряжения может иметь место и электрический пробой. Импульсная прочность диэлектрика при этом обычно в несколько раз выше, чем прочность при тепловом пробое, когда для прогрева диэлектрика требуется некоторое время.
 

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.
 

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.
 

Тепловой пробой возникает из-за перегрева р-п перехода или отдельного его участка. При этом происходит интенсивная генерация пар электрон — дырка и, следовательно, увеличивается обратный ток, что ведет к увеличению мощности, выделяющейся в р-п переходе, и дальнейшему его разогреву. Этот процесс, также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка р-п перехода и выходом прибора из строя.
 

Проверка — электрическая прочность — изоляция

Проверка электрической прочности изоляции производится с помощью пробойной установки, представляющей собой, в основном, повышающий трансформатор, высокое напряжение которого можно плавно регулировать. Трансформаторы и дроссели должны выдерживать напряжение пробоя в соответствии с их паспортами.
 

Проверка электрической прочности изоляции является одним из важнейших критериев, определяющих работоспособность проводов и кабелей в нормальных условиях и в условиях воздействия различных механических, тепловых и климатических факторов. Схемы испытания проводов и кабелей напряжением различны и зависят от конструкции последних. В табл. 25 показаны основные схемы испытания напряжением изоляции проводов и кабелей с асбестовыми материалами, выпускаемыми в СССР.
 

Проверка электрической прочности изоляции катушки производится переменным напряжением 2 000 В в течение 1 мин после окончательной отделки катушки.
 

Проверка электрической прочности изоляции приборов и вспомогательных частей производится на специальной установке, подробнее рассмотренной ниже.
 

Проверка электрической прочности изоляции электродвигателя производится постепенным поднятием напряжения до 1 000 в переменного тока частотой 50 гц и выдержкой в течение 1 мин. Напряжение прикладывается между заземлением и вспомогательными контактами ( выдвижного автомата) или зажимом ( невыдвижного автомата), к которому подсоединен один вывод электродвигателя.
 

Проверка электрической прочности изоляции обмотки готовой машины входит в программу приемо-сдаточных испытаний. Кроме того, изоляция испытывается в процессе изготовления и укладки катушек в пазы. Этот вид испытаний называют пооперационным, так как его проводят после определенных операций, различных для каждого типа обмоток.
 

Проверку электрической прочности изоляции проводят в нерабочем состоянии ЭМММ. Испытательное напряжение при проверке электрической прочности изоляции в-условиях воздействия повышенной влажности должно быть в 2 раза меньше, чем в нормальных условиях.
 

Проверку электрической прочности изоляции производят напряжением переменного тока частотой 50 Гц, от источника мощностью не менее 0 5 кВА непосредственно после измерения сопротивления изоляции.
 

Проверку электрической прочности изоляции машин проводят на испытательной установке переменного синусоидального тока частотой 50 Гц и мощностью на стороне высокого напряжения не менее 0 5 кВ — А. Испытанию подвергают каждую электрически раздельную цепь. Начальное испытательное напряжение не должно превышать 1 / 3 полного его значения.
 

После проверки электрической прочности изоляции вновь проверяют ее сопротивление.
 

Для проверки электрической прочности изоляции высоким напряжением переключатель П1 устанавливается в положении 500 б или 1500 в, в зависимости от требований ТУ.
 

Для проверки электрической прочности изоляции нужно иметь возможность — изменять в пределах от 0 до 2000 — 2500 в напря — — жение переменного тока частотой 50 гц, получаемого от городской осветительной сети. Это можно осуществить, например, с помощью лабораторного автотрансформатора типа ЛАТР-1, соединенного с повышающим трансформатором Тр ( рис. 7.22), который легко изготовить силами производственной лаборатории.
 

Для проверки электрической прочности изоляции применяют специальные пробойные высоковольтные установки с защитными ограждениями и блокировками.
 

Глоссарий по физике

Тепловой пробой, электротепловой пробой

Тепловой пробой, электротепловой пробой — резкое увеличение электропроводности диэлектрика (или
полупроводника) при прохождении через него электрич. тока, обусловленное джоулевым
разогревом (см. Джоулевы потери)и нарушением теплового равновесия образца
с окружающей средой. В теоретич. отношении Т. п. имеет много общего с тепловым
взрывом .Необходимым условием Т. п. является резкое (обычно экспоненциальное)
возрастание проводимости s с ростом температуры Т. Незначительная в
первый момент (при комнатной температуре) проводимость вследствие выделения джоулева
тепла приводит к небольшому повышению температуры, вследствие чего проводимость
увеличивается; это, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры
и т. д., т. е. проводимость и температура взаимно «раскачивают» друг
друга. В связи с тем, что коэф. теплоотдачи зависит от Т слабее (обычно
линейно), существует нек-рое критич. значение электрич. поля Е_кр(э
л е к т р и ч е с к а я п р о ч н о с т ь), при превышении к-рого стационарное
тепловое состояние образца оказывается невозможным (ур-ние теплового баланса
не имеет стационарного решения). В этом случае темп-pa со временем лавинообразно
нарастает и, в конечном счёте, происходит плавление или иное разрушение образца.

Если в цепи образца есть
гасящее сопротивление, то разрушение может не произойти: в этом случае происходит
перераспределение приложенного напряжения, в результате чего вольт-амперная
характеристика (ВАX) оказывается S-образной. При критич.
напряжении ток и температура претерпевают скачок. При уменьшении напряжения скачок
в обратном направлении происходит не при том же, а при меньшем критич. значении,
т. е. имеет место гистерезис S,-образный характер ВАX
может привести к неоднородности распределения плотности тока j по сечению
проводника (шнурование тока).

От лавинного пробоя, обусловленного
«умножением» числа свободных носителей заряда, Т. п. отличают гораздо
большее время нарастания тока (10-2 -103 с), сильная зависимость
электрич. прочности от размеров и формы образца, температуры окружающей среды, условий
теплоотдачи.

Наряду со статич. Т. п.
возможен о п т и ч е с к и й Т. п. в условиях, когда с ростом температуры быстро
возрастает коэф. поглощения эл—магн. волн. Такие условия возможны при поглощении
ИК-излучения свободными носителями, при температурном сдвиге линии экситонного
поглощения и т. д. Оптич. Т. п. является одним из возможных механизмов оптической
бистабильности.

Литература по

1. Франц В., Пробой диэлектриков, пер. с нем., М., 1961; Поплавко Ю, М., Физика диэлектриков,
   К., 1980; Эп-штейн Э. М., Оптический тепловой пробой полупроводниковой пластины,
   «ЖТФ», 1978, т. 48, с. 1733. Э.М. Эпштейн.
   к библиотеке  
   к оглавлению  
   FAQ по эфирной физике  
   ТОЭЭ  
   ТЭЦ  
   ТПОИ  
   ТИ  
   

   Знаете ли Вы, что «тёмная материя» — такая же фикция, как черная кошка в темной комнате. Это не физическая реальность, но фокус, подмена.Реально идет речь о том, что релятивистские формулы не соответствуют астрономическим наблюдениям, давая на порядок и более меньшую массу и меньшую энергию. Отсюда сделан фокуснический вывод, что есть «темная материя» и «темная энергия», но не вывод, что релятивистские формулы не соответствуют реалиям. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов.

Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный — в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней. Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» ( история разработкитехническое описание ). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту — 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» — «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».

Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.

Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA

). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.

Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.

Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП)

Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Книги по ардуино Правильная пайка проводов паяльником Птф солярис