Wytrzymałość dielektryczna

Wytrzymałość dielektryczna określa zdolność dielektryka do wytrzymania przyłożonego do niego napięcia elektrycznego. Zatem wytrzymałość elektryczna dielektryka jest rozumiana jako średnia wartość natężenia pola elektrycznego Epr, przy którym następuje przebicie elektryczne w dielektryku.

Przebicie elektryczne dielektryka jest zjawiskiem gwałtownego wzrostu przewodności elektrycznej danego materiału pod działaniem przyłożonego do niego napięcia, z późniejszym utworzeniem przewodzącego kanału plazmowego.

Awaria elektryczna w cieczach lub gazach jest również nazywana wyładowaniem elektrycznym. W rzeczywistości powstaje takie wyładowanie prąd rozładowania kondensatorautworzone przez elektrody, do których przyłożone jest napięcie przebicia.

W tym kontekście napięcie przebicia Upr jest napięciem, przy którym rozpoczyna się przebicie elektryczne, a zatem wytrzymałość dielektryczną można znaleźć za pomocą następującego wzoru (gdzie h jest grubością próbki do rozbicia):

Epr = UNC/godz

Oczywiście napięcie przebicia w każdym konkretnym przypadku jest związane z wytrzymałością dielektryczną rozważanego dielektryka i zależy od grubości szczeliny między elektrodami.Odpowiednio, wraz ze wzrostem odstępu między elektrodami, wzrasta również wartość napięcia przebicia. W ciekłych i gazowych dielektrykach rozwój wyładowania podczas awarii zachodzi na różne sposoby.

Wytrzymałość dielektryczna gazowych dielektryków

Jonizacja — proces przekształcania obojętnego atomu w jon dodatni lub ujemny.

W procesie niszczenia dużej szczeliny w dielektryku gazowym kilka etapów następuje jeden po drugim:

1. Wolny elektron pojawia się w szczelinie gazowej w wyniku fotojonizacji cząsteczki gazu, bezpośrednio z metalowej elektrody lub przypadkowo.

2. Swobodny elektron pojawiający się w szczelinie jest przyspieszany przez pole elektryczne, energia elektronu wzrasta i ostatecznie staje się wystarczająca do zjonizowania obojętnego atomu po zderzeniu z nim. Oznacza to, że zachodzi jonizacja uderzeniowa.

3. W wyniku wielu oddziaływań jonizacji uderzeniowej powstaje i rozwija się lawina elektronów.

4. Powstaje streamer — kanał plazmowy utworzony przez dodatnie jony pozostałe po przejściu lawiny elektronów i ujemne, które są teraz wciągane do dodatnio naładowanej plazmy.

5. Prąd pojemnościowy przepływający przez streamer powoduje jonizację termiczną i streamer staje się przewodzący.

6. Gdy szczelina wyładowcza jest zamknięta przez kanał wyładowczy, następuje wyładowanie główne.

Jeśli szczelina wyładowcza jest wystarczająco mała, proces rozpadu może zakończyć się już na etapie rozpadu lawinowego lub na etapie powstawania streamera - na etapie iskry.

Wytrzymałość elektryczną gazów określa się przez:

• Odległość między elektrodami;

• Ciśnienie gazu, który ma być wiercony;

• Powinowactwo cząsteczek gazu do elektronu, elektroujemność gazu.

Zależność ciśnień wyjaśniono w następujący sposób. Wraz ze wzrostem ciśnienia w gazie zmniejszają się odległości między jego cząsteczkami. Podczas przyspieszania elektron musi uzyskać taką samą energię po znacznie krótszej drodze swobodnej, która jest wystarczająca do zjonizowania atomu.

Energia ta jest określona przez prędkość elektronu podczas zderzenia, a prędkość rozwija się w wyniku przyspieszenia siły działającej na elektron z pola elektrycznego, czyli z powodu jego siły.

Krzywa Paschena przedstawia zależność napięcia przebicia Upr w gazie od iloczynu odległości między elektrodami i ciśnienia — p * h. Na przykład dla powietrza przy p * h = 0,7 paskala * miernika napięcie przebicia wynosi około 330 woltów. Wzrost napięcia przebicia na lewo od tej wartości wynika z faktu, że zmniejsza się prawdopodobieństwo zderzenia elektronu z cząsteczką gazu.

Powinowactwo elektronowe to zdolność niektórych obojętnych cząsteczek i atomów gazu do przyłączania do siebie dodatkowych elektronów i stania się jonami ujemnymi. W gazach z atomami o dużym powinowactwie elektronowym, w gazach elektroujemnych elektrony potrzebują dużej energii przyspieszenia, aby utworzyć lawinę.

Wiadomo, że w normalnych warunkach, czyli przy normalnej temperaturze i ciśnieniu, wytrzymałość dielektryczna powietrza w szczelinie 1 cm wynosi około 3000 V/mm, ale przy ciśnieniu 0,3 MPa (3 razy większym niż zwykle) wytrzymałość dielektryczna tego samego powietrza zbliża się do 10 000 V / mm. W przypadku gazu SF6, gazu elektroujemnego, wytrzymałość dielektryczna w normalnych warunkach wynosi około 8700 V/mm. A przy ciśnieniu 0,3 MPa osiąga 20 000 V / mm.

Wytrzymałość dielektryczna ciekłych dielektryków

Jeśli chodzi o ciekłe dielektryki, ich wytrzymałość dielektryczna nie jest bezpośrednio związana z ich strukturą chemiczną. A najważniejszą rzeczą, która wpływa na mechanizm rozpadu w cieczy, jest bardzo bliskie, w porównaniu z gazem, rozmieszczenie jej cząsteczek. Jonizacja uderzeniowa, charakterystyczna dla gazów, jest niemożliwa w ciekłym dielektryku.

Energia jonizacji uderzeniowej wynosi około 5 eV, a jeśli wyrazimy tę energię jako iloczyn natężenia pola elektrycznego, ładunku elektronu i średniej drogi swobodnej, która wynosi około 500 nanometrów, a następnie obliczymy z tego wytrzymałość dielektryczną, otrzymamy uzyskać 10 000 000 V/mm, a rzeczywista wytrzymałość elektryczna cieczy wynosi od 20 000 do 40 000 V/mm.

Wytrzymałość dielektryczna cieczy faktycznie zależy od ilości gazu w tych cieczach. Również wytrzymałość dielektryczna zależy od stanu powierzchni elektrod, do których przykładane jest napięcie. Rozpad na ciecz rozpoczyna się od rozpadu małych pęcherzyków gazu.

Gaz ma znacznie niższą stałą dielektryczną, więc napięcie w bańce okazuje się wyższe niż w otaczającej cieczy. W tym przypadku wytrzymałość dielektryczna gazu jest niższa. Wyładowania pęcherzykowe prowadzą do wzrostu pęcherzyków i ostatecznie do rozpadu cieczy w wyniku częściowych wyładowań w pęcherzykach.

Zanieczyszczenia odgrywają ważną rolę w mechanizmie rozwoju rozpadu w ciekłych dielektrykach. Weźmy na przykład olej transformatorowy. Sadza i woda jako zanieczyszczenia przewodzące zmniejszają wytrzymałość dielektryczną olej transformatorowy.

Chociaż woda zwykle nie miesza się z olejem, to jej najmniejsze kropelki w oleju pod działaniem pola elektrycznego polaryzują się, tworzą obwody o zwiększonej przewodności elektrycznej w stosunku do otaczającego oleju, w wyniku czego dochodzi do rozpadu oleju wzdłuż obwodu.

Do określenia wytrzymałości dielektrycznej cieczy w warunkach laboratoryjnych stosuje się elektrody półkuliste, których promień jest kilkakrotnie większy niż odległość między nimi. W szczelinie między elektrodami powstaje jednorodne pole elektryczne. Typowa odległość wynosi 2,5 mm.

W przypadku oleju transformatorowego napięcie przebicia nie powinno być mniejsze niż 50 000 woltów, a jego najlepsze próbki różnią się wartością napięcia przebicia wynoszącą 80 000 woltów. Jednocześnie pamiętaj, że w teorii jonizacji uderzeniowej napięcie to powinno wynosić 2 000 000 — 3 000 000 woltów.

Tak więc, aby zwiększyć wytrzymałość dielektryczną ciekłego dielektryka, konieczne jest:

• Oczyść płyn z cząstek stałych przewodzących, takich jak węgiel, sadza itp.;

• Usuń wodę z płynu dielektrycznego;

• Zdezynfekować płyn (ewakuować);

• Zwiększ ciśnienie płynu.

Wytrzymałość dielektryczna stałych dielektryków

Wytrzymałość dielektryczna stałych dielektryków jest związana z czasem przyłożenia napięcia przebicia. A w zależności od czasu przyłożenia napięcia do dielektryka i zachodzących w tym czasie procesów fizycznych rozróżniają:

• Awaria elektryczna, która pojawia się w ułamkach sekund po przyłożeniu napięcia;

• Zapaść termiczna, która następuje w ciągu sekund, a nawet godzin;

• Awaria spowodowana wyładowaniami niezupełnymi, czas ekspozycji może przekraczać rok.

Mechanizm rozpadu stałego dielektryka polega na zniszczeniu wiązań chemicznych w substancji pod działaniem przyłożonego napięcia, z przemianą substancji w plazmę. Oznacza to, że możemy mówić o proporcjonalności między wytrzymałością elektryczną stałego dielektryka a energią jego wiązań chemicznych.

Stałe dielektryki często przewyższają wytrzymałość dielektryczną cieczy i gazów, na przykład szkło izolacyjne ma wytrzymałość elektryczną około 70 000 V/mm, polichlorek winylu — 40 000 V/mm, a polietylen — 30 000 V/mm.

Przyczyna przebicia termicznego leży w nagrzaniu dielektryka z powodu straty dielektrycznegdy energia utraty mocy przekracza energię usuwaną przez dielektryk.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba nośników, wzrasta przewodnictwo, rośnie kąt strat, a zatem temperatura wzrasta jeszcze bardziej, a wytrzymałość dielektryczna maleje. W rezultacie, z powodu nagrzewania się dielektryka, wynikająca z tego awaria występuje przy niższym napięciu niż bez ogrzewania, to znaczy, jeśli awaria była czysto elektryczna.