Dielektrická pevnosť

Dielektrická pevnosť určuje schopnosť dielektrika odolať elektrickému napätiu, ktoré je naň aplikované. Elektrická pevnosť dielektrika sa teda chápe ako priemerná hodnota intenzity elektrického poľa Epr, pri ktorej dochádza k elektrickému prierazu v dielektriku.

Elektrický prieraz dielektrika je jav prudkého zvýšenia elektrickej vodivosti daného materiálu pôsobením napätia naň aplikovaného s následným vytvorením vodivého plazmového kanála.

Elektrický prieraz v kvapalinách alebo plynoch sa tiež nazýva elektrický výboj. V skutočnosti sa takýto výboj vytvára vybíjací prúd kondenzátoratvorený elektródami, na ktoré je privedené prierazné napätie.

V tejto súvislosti je prierazné napätie Upr napätie, pri ktorom začína elektrický prieraz, a preto možno dielektrickú pevnosť zistiť pomocou nasledujúceho vzorca (kde h je hrúbka vzorky, ktorá sa má rozložiť):

Epr = UNC/h

Je zrejmé, že prierazné napätie v každom konkrétnom prípade súvisí s dielektrickou pevnosťou uvažovaného dielektrika a závisí od hrúbky medzery medzi elektródami.V súlade s tým, keď sa medzera medzi elektródami zväčšuje, hodnota prierazného napätia sa tiež zvyšuje. V kvapalných a plynných dielektrikách dochádza k vývoju výboja počas rozpadu rôznymi spôsobmi.

Dielektrická pevnosť plynných dielektrík

Ionizácia - proces premeny neutrálneho atómu na kladný alebo záporný ión.

V procese rozpadu veľkej medzery v plynovom dielektriku nasleduje niekoľko etáp po sebe:

1. Voľný elektrón sa objaví v plynovej medzere ako výsledok fotoionizácie molekuly plynu priamo z kovovej elektródy alebo náhodne.

2. Voľný elektrón, ktorý sa objaví v medzere, je urýchľovaný elektrickým poľom, energia elektrónu sa zvyšuje a nakoniec postačuje na ionizáciu neutrálneho atómu pri zrážke s ním. To znamená, že dochádza k nárazovej ionizácii.

3. V dôsledku mnohých nárazových ionizačných akcií sa vytvára a vyvíja elektrónová lavína.

4. Vytvorí sa streamer – plazmový kanál tvorený kladnými iónmi, ktoré zostali po prechode lavíny elektrónov, a zápornými iónmi, ktoré sú teraz vťahované do kladne nabitej plazmy.

5. Kapacitný prúd cez streamer spôsobuje tepelnú ionizáciu a streamer sa stáva vodivým.

6. Keď je vypúšťacia medzera uzavretá vypúšťacím kanálom, dôjde k hlavnému výboju.

Ak je vypúšťacia medzera dostatočne malá, môže sa proces rozpadu skončiť už v štádiu lavínového rozpadu alebo v štádiu tvorby streamera - v štádiu iskry.

Elektrická pevnosť plynov je určená:

• Vzdialenosť medzi elektródami;

• Tlak v plyne, ktorý sa má vŕtať;

• Afinita molekúl plynu k elektrónu, elektronegativita plynu.

Tlakový vzťah je vysvetlený nasledovne. So zvyšovaním tlaku v plyne sa zmenšujú vzdialenosti medzi jeho molekulami. Počas urýchľovania musí elektrón nadobudnúť rovnakú energiu s oveľa kratšou voľnou dráhou, čo stačí na ionizáciu atómu.

Táto energia je určená rýchlosťou elektrónu pri zrážke a rýchlosť sa vyvíja v dôsledku zrýchlenia od sily pôsobiacej na elektrón z elektrického poľa, teda v dôsledku jeho sily.

Paschenova krivka ukazuje závislosť prierazného napätia Upr v plyne od súčinu vzdialenosti medzi elektródami a tlaku — p * h. Napríklad pre vzduch pri p * h = 0,7 Pascal * meter je prierazné napätie asi 330 voltov. Nárast prierazného napätia naľavo od tejto hodnoty je spôsobený tým, že sa znižuje pravdepodobnosť zrážky elektrónu s molekulou plynu.

Elektrónová afinita je schopnosť niektorých neutrálnych molekúl a atómov plynu pripojiť k sebe ďalšie elektróny a stať sa negatívnymi iónmi. V plynoch s atómami s vysokou elektrónovou afinitou, v elektronegatívnych plynoch potrebujú elektróny na vytvorenie lavíny veľkú urýchľovaciu energiu.

Je známe, že za normálnych podmienok, to znamená pri normálnej teplote a tlaku, je dielektrická pevnosť vzduchu v medzere 1 cm približne 3000 V / mm, ale pri tlaku 0,3 MPa (3 krát viac ako zvyčajne) dielektrická pevnosť toho istého vzduchu sa blíži k 10 000 V / mm. Pre plyn SF6, elektronegatívny plyn, je dielektrická pevnosť za normálnych podmienok približne 8700 V/mm. A pri tlaku 0,3 MPa dosahuje 20 000 V / mm.

Dielektrická pevnosť kvapalných dielektrík

Čo sa týka kvapalných dielektrík, ich dielektrická pevnosť priamo nesúvisí s ich chemickou štruktúrou. A hlavná vec, ktorá ovplyvňuje mechanizmus rozpadu v kvapaline, je v porovnaní s plynom veľmi blízke usporiadanie jej molekúl. Nárazová ionizácia, charakteristická pre plyny, je v kvapalnom dielektriku nemožná.

Energia nárazovej ionizácie je približne 5 eV a ak túto energiu vyjadríme ako súčin intenzity elektrického poľa, náboja elektrónu a strednej voľnej dráhy, čo je asi 500 nanometrov, a potom z toho vypočítame dielektrickú silu, získať 10 000 000 V/mm a skutočná elektrická pevnosť pre kvapaliny sa pohybuje od 20 000 do 40 000 V/mm.

Dielektrická pevnosť kvapalín v skutočnosti závisí od množstva plynu v týchto kvapalinách. Dielektrická pevnosť tiež závisí od stavu povrchov elektród, na ktoré je aplikované napätie. Rozklad na kvapalinu začína rozpadom malých bubliniek plynu.

Plyn má oveľa nižšiu dielektrickú konštantu, takže napätie v bubline je vyššie ako v okolitej kvapaline. V tomto prípade je dielektrická pevnosť plynu nižšia. Bublinové výboje vedú k rastu bublín a nakoniec dochádza k rozpadu kvapaliny v dôsledku čiastočných výbojov v bublinách.

Nečistoty hrajú dôležitú úlohu v mechanizme vývoja rozpadu v kvapalných dielektrikách. Zoberme si napríklad transformátorový olej. Sadze a voda ako vodivé nečistoty znižujú dielektrickú pevnosť transformátorový olej.

Hoci sa voda zvyčajne nemieša s olejom, jej najmenšie kvapôčky v oleji sa pôsobením elektrického poľa polarizujú, vytvárajú obvody so zvýšenou elektrickou vodivosťou v porovnaní s okolitým olejom a v dôsledku toho dochádza k rozpadu oleja pozdĺž okruhu.

Na stanovenie dielektrickej pevnosti kvapalín v laboratórnych podmienkach sa používajú pologuľové elektródy, ktorých polomer je niekoľkonásobne väčší ako vzdialenosť medzi nimi. V medzere medzi elektródami sa vytvára rovnomerné elektrické pole. Typická vzdialenosť je 2,5 mm.

Pre transformátorový olej by prierazné napätie nemalo byť menšie ako 50 000 voltov a jeho najlepšie vzorky sa líšia hodnotou prierazného napätia 80 000 voltov. Zároveň si pamätajte, že v teórii nárazovej ionizácie malo byť toto napätie 2 000 000 - 3 000 000 voltov.

Takže na zvýšenie dielektrickej pevnosti kvapalného dielektrika je potrebné:

• Vyčistite kvapalinu od pevných vodivých častíc, ako je uhlie, sadze atď.;

• Odstráňte vodu z dielektrickej kvapaliny;

• Dezinfikujte kvapalinu (evakuujte);

• Zvýšte tlak kvapaliny.

Dielektrická pevnosť pevných dielektrík

Dielektrická pevnosť pevných dielektrík súvisí s časom, počas ktorého je aplikované prierazné napätie. A v závislosti od času, keď je napätie aplikované na dielektrikum, a od fyzikálnych procesov, ktoré sa v tom čase vyskytujú, rozlišujú:

• Elektrická porucha, ku ktorej dôjde v zlomkoch sekúnd po privedení napätia;

• Tepelný kolaps, ku ktorému dochádza v priebehu niekoľkých sekúnd alebo dokonca hodín;

• Rozpad v dôsledku čiastočných výbojov, doba expozície môže byť viac ako rok.

Mechanizmus rozpadu pevného dielektrika spočíva v deštrukcii chemických väzieb v látke pôsobením aplikovaného napätia s premenou látky na plazmu. To znamená, že môžeme hovoriť o úmernosti medzi elektrickou silou pevného dielektrika a energiou jeho chemických väzieb.

Pevné dielektriká často presahujú dielektrickú pevnosť kvapalín a plynov, napríklad izolačné sklo má elektrickú pevnosť asi 70 000 V/mm, polyvinylchlorid - 40 000 V/mm a polyetylén - 30 000 V/mm.

Príčina tepelného rozpadu spočíva v zahrievaní dielektrika v dôsledku dielektrická stratakeď energia straty výkonu prevyšuje energiu odstránenú dielektrikom.

So zvyšovaním teploty sa zvyšuje počet nosičov, zvyšuje sa vodivosť, zväčšuje sa stratový uhol, a preto sa teplota ešte zvyšuje a dielektrická pevnosť klesá. Výsledkom je, že vplyvom zahrievania dielektrika dochádza k výslednej poruche pri nižšom napätí ako bez zahrievania, teda ak bola porucha čisto elektrická.