Dielektrična čvrstoća

Dielektrična čvrstoća određuje sposobnost dielektrika da izdrži električni napon primijenjen na njega. Dakle, električna čvrstoća dielektrika podrazumijeva se kao prosječna vrijednost jakosti električnog polja Epr pri kojoj dolazi do električnog proboja u dielektriku.

Električni slom dielektrika je pojava naglog povećanja električne vodljivosti određenog materijala pod djelovanjem napona koji se na njega primjenjuje, s naknadnim stvaranjem vodljivog plazma kanala.

Električni slom u tekućinama ili plinovima naziva se i električnim pražnjenjem. Zapravo, takav se iscjedak formira struja pražnjenja kondenzatorakoju čine elektrode na koje se dovodi probojni napon.

U ovom kontekstu, probojni napon Upr je napon pri kojem počinje električni proboj, pa se stoga dielektrična čvrstoća može pronaći pomoću sljedeće formule (gdje je h debljina uzorka koji se razbija):

Epr = UNC/h

Očito je da je probojni napon u svakom konkretnom slučaju povezan s dielektričnom čvrstoćom razmatranog dielektrika i ovisi o debljini razmaka između elektroda.Sukladno tome, kako se razmak između elektroda povećava, povećava se i vrijednost probojnog napona. U tekućim i plinovitim dielektricima, razvoj pražnjenja tijekom proboja događa se na različite načine.

Dielektrična čvrstoća plinovitih dielektrika

Ionizacija — proces pretvaranja neutralnog atoma u pozitivan ili negativan ion.

U procesu razbijanja velike praznine u plinskom dielektriku slijedi nekoliko faza jedna za drugom:

1. Slobodni elektron se pojavljuje u plinskom rasporu kao rezultat fotoionizacije molekule plina, izravno s metalne elektrode ili slučajno.

2. Slobodni elektron koji se pojavljuje u procjepu ubrzava se električnim poljem, energija elektrona raste i na kraju postaje dovoljna da ionizira neutralni atom nakon sudara s njim. Odnosno dolazi do udarne ionizacije.

3. Kao rezultat mnogih radnji udarne ionizacije, formira se i razvija elektronska lavina.

4. Formira se streamer — plazma kanal formiran od pozitivnih iona preostalih nakon prolaska lavine elektrona, i negativnih, koji su sada uvučeni u pozitivno nabijenu plazmu.

5. Kapacitivna struja kroz streamer uzrokuje toplinsku ionizaciju i streamer postaje vodljiv.

6. Kada se pražnjenje zatvori kanalom za pražnjenje, dolazi do glavnog pražnjenja.

Ako je razmak pražnjenja dovoljno mali, tada se proces sloma može završiti već u fazi sloma lavine ili u fazi formiranja streamera - u fazi iskre.

Električna čvrstoća plinova određena je:

• Udaljenost između elektroda;

• Tlak u plinu koji se buši;

• Afinitet molekula plina prema elektronu, elektronegativnost plina.

Odnos tlaka objašnjava se na sljedeći način. Povećanjem tlaka u plinu smanjuju se udaljenosti između njegovih molekula. Tijekom ubrzanja elektron mora dobiti istu energiju uz mnogo kraći slobodni put, što je dovoljno za ionizaciju atoma.

Ta je energija određena brzinom elektrona tijekom sudara, a brzina se razvija zbog ubrzanja od sile koja na elektron djeluje iz električnog polja, odnosno zbog njegove jakosti.

Paschenova krivulja pokazuje ovisnost probojnog napona Upr u plinu o umnošku udaljenosti između elektroda i tlaka — p * h. Na primjer, za zrak pri p * h = 0,7 Pascal * metar, probojni napon je oko 330 volti. Povećanje probojnog napona lijevo od ove vrijednosti je zbog činjenice da se smanjuje vjerojatnost sudara elektrona s molekulom plina.

Elektronski afinitet je sposobnost nekih neutralnih molekula i atoma plina da na sebe pridruže dodatne elektrone i postanu negativni ioni. U plinovima s atomima visokog afiniteta prema elektronima, u elektronegativnim plinovima elektronima je potrebna velika ubrzavajuća energija da bi formirali lavinu.

Poznato je da je u normalnim uvjetima, odnosno pri normalnoj temperaturi i tlaku, dielektrična čvrstoća zraka u razmaku od 1 cm približno 3000 V / mm, ali pri tlaku od 0,3 MPa (3 puta više od uobičajenog) dielektrična čvrstoća istog zraka postaje blizu 10 000 V / mm. Za plin SF6, elektronegativni plin, dielektrična čvrstoća u normalnim uvjetima je približno 8700 V/mm. A pri tlaku od 0,3 MPa doseže 20 000 V / mm.

Dielektrična čvrstoća tekućih dielektrika

Što se tiče tekućih dielektrika, njihova dielektrična čvrstoća nije izravno povezana s njihovom kemijskom strukturom. A glavna stvar koja utječe na mehanizam raspadanja u tekućini je vrlo blizak, u usporedbi s plinom, raspored njegovih molekula. Udarna ionizacija, karakteristična za plinove, nije moguća u tekućem dielektriku.

Energija udarne ionizacije je približno 5 eV, a ako ovu energiju izrazimo kao umnožak jakosti električnog polja, naboja elektrona i srednjeg slobodnog puta, što je oko 500 nanometara, i zatim iz toga izračunamo dielektričnu čvrstoću, dobiti 10.000.000 V/mm, a stvarna električna čvrstoća za tekućine kreće se od 20.000 do 40.000 V/mm.

Dielektrična čvrstoća tekućina zapravo ovisi o količini plina u tim tekućinama. Također, dielektrična čvrstoća ovisi o stanju površina elektroda na koje se dovodi napon. Razgradnja u tekućinu počinje razgradnjom malih mjehurića plina.

Plin ima puno nižu dielektričnu konstantu, pa se napon u mjehuriću ispostavlja većim nego u okolnoj tekućini. U tom je slučaju dielektrična čvrstoća plina manja. Pražnjenja mjehurića dovode do rasta mjehurića i na kraju dolazi do raspada tekućine kao rezultat djelomičnog pražnjenja u mjehurićima.

Nečistoće igraju važnu ulogu u mehanizmu razvoja proboja u tekućim dielektricima. Razmotrimo, na primjer, transformatorsko ulje. Čađa i voda kao vodljive nečistoće smanjuju dielektričnu čvrstoću transformatorsko ulje.

Iako se voda obično ne miješa s uljem, njezine najsitnije kapljice u ulju pod djelovanjem električnog polja polariziraju, tvore strujne krugove s povećanom električnom vodljivošću u odnosu na okolno ulje, a kao rezultat toga dolazi do proboja ulja duž kruga.

Za određivanje dielektrične čvrstoće tekućina u laboratorijskim uvjetima koriste se hemisferične elektrode čiji je polumjer nekoliko puta veći od udaljenosti između njih. U razmaku između elektroda stvara se jednoliko električno polje. Tipična udaljenost je 2,5 mm.

Za transformatorsko ulje probojni napon ne smije biti manji od 50 000 volti, a njegovi najbolji uzorci razlikuju se u vrijednosti probojnog napona od 80 000 volti. U isto vrijeme, zapamtite da je u teoriji udarne ionizacije ovaj napon trebao biti 2 000 000 - 3 000 000 volti.

Dakle, za povećanje dielektrične čvrstoće tekućeg dielektrika potrebno je:

• Očistite tekućinu od čvrstih vodljivih čestica kao što su ugljen, čađa itd.;

• Uklonite vodu iz dielektrične tekućine;

• Dezinficirajte tekućinu (evakuirajte);

• Povećajte tlak tekućine.

Dielektrična čvrstoća čvrstih dielektrika

Dielektrična čvrstoća čvrstih dielektrika povezana je s vremenom tijekom kojeg je primijenjen probojni napon. A ovisno o vremenu kada se napon primjenjuje na dielektrik io fizičkim procesima koji se tada događaju, razlikuju se:

• Električni kvar koji se javlja u dijelovima sekunde nakon primjene napona;

• Toplinski kolaps koji se događa za nekoliko sekundi ili čak sati;

• Kvar zbog djelomičnog pražnjenja, vrijeme izloženosti može biti duže od godinu dana.

Mehanizam proboja čvrstog dielektrika sastoji se u razaranju kemijskih veza u tvari pod djelovanjem primijenjenog napona, uz transformaciju tvari u plazmu. Odnosno, možemo govoriti o proporcionalnosti između električne čvrstoće čvrstog dielektrika i energije njegovih kemijskih veza.

Čvrsti dielektrici često premašuju dielektričnu čvrstoću tekućina i plinova, na primjer, izolacijsko staklo ima električnu čvrstoću od oko 70 000 V/mm, polivinilklorid — 40 000 V/mm, a polietilen — 30 000 V/mm.

Uzrok toplinskog sloma leži u zagrijavanju dielektrika zbog dielektrični gubitakkada energija gubitka snage premašuje energiju koju je oduzeo dielektrik.

S porastom temperature povećava se broj nositelja, povećava se vodljivost, povećava se kut gubitka, pa stoga još više raste temperatura i smanjuje se dielektrična čvrstoća. Kao rezultat toga, zbog zagrijavanja dielektrika, nastali kvar se javlja pri nižem naponu nego bez zagrijavanja, odnosno ako je kvar bio čisto električni.