Dielektromos szilárdság

A dielektromos szilárdság meghatározza a dielektrikum azon képességét, hogy ellenálljon a rákapcsolt elektromos feszültségnek. Tehát a dielektrikum elektromos szilárdsága az Epr elektromos térerősség átlagos értéke, amelynél a dielektrikumban elektromos törés következik be.

A dielektrikum elektromos meghibásodása egy adott anyag elektromos vezetőképességének éles növekedése a rákapcsolt feszültség hatására, majd vezetőképes plazmacsatorna kialakulásával.

A folyadékok vagy gázok elektromos meghibásodását elektromos kisülésnek is nevezik. Valójában ilyen kisülés képződik kondenzátor kisülési áramelektródák alkotják, amelyekre áttörési feszültséget kapcsolnak.

Ebben az összefüggésben az Upr áttörési feszültség az a feszültség, amelynél az elektromos áttörés megkezdődik, ezért a dielektromos szilárdság a következő képlettel határozható meg (ahol h a lebontandó minta vastagsága):

Epr = UNC/h

Nyilvánvaló, hogy az áttörési feszültség minden esetben a vizsgált dielektrikum dielektromos szilárdságától függ, és az elektródák közötti rés vastagságától függ.Ennek megfelelően az elektródák közötti hézag növekedésével az áttörési feszültség értéke is nő. Folyékony és gáznemű dielektrikumban a lebontás során a kisülés kialakulása különböző módon történik.

Gáznemű dielektrikumok dielektromos szilárdsága

Ionizáció – a semleges atom pozitív vagy negatív ionná alakításának folyamata.

A gázdielektrikumban lévő nagy rés lebontása során több szakasz következik egymás után:

1. Egy gázmolekula fotoionizációja következtében, közvetlenül fémelektródáról vagy véletlenül egy szabad elektron jelenik meg a gázrésben.

2. A résben megjelenő szabad elektront az elektromos tér felgyorsítja, az elektron energiája megnő, és végül elegendő lesz egy semleges atom ionizálásához vele ütközéskor. Vagyis ütési ionizáció lép fel.

3. Számos becsapódásos ionizációs hatás hatására elektronlavina képződik és fejlődik ki.

4. Kialakul a streamer - egy plazmacsatorna, amelyet az elektronlavina áthaladása után visszamaradt pozitív ionok és negatívak alkotnak, amelyek most a pozitív töltésű plazmába kerülnek.

5. A streameren áthaladó kapacitív áram termikus ionizációt okoz, és a streamer vezetőképessé válik.

6. Amikor a kisülési rést a nyomócsatorna lezárja, megtörténik a főkisülés.

Ha a kisülési rés elég kicsi, akkor a lebontási folyamat már a lavina letörésének szakaszában vagy a szalagképződés szakaszában - a szikra szakaszában - véget érhet.

A gázok elektromos szilárdságát a következők határozzák meg:

• Az elektródák közötti távolság;

• Nyomás a fúrandó gázban;

• A gázmolekulák affinitása az elektronhoz, a gáz elektronegativitása.

A nyomás összefüggését a következőképpen magyarázzuk meg. A gáz nyomásának növekedésével a molekulák közötti távolság csökken. A gyorsítás során az elektronnak jóval rövidebb szabad úton kell megszereznie ugyanazt az energiát, ami elég egy atom ionizálásához.

Ezt az energiát az elektron ütközés közbeni sebessége határozza meg, a sebesség pedig az elektromos térből az elektronra ható erőből, vagyis az erősségéből adódó gyorsulás következtében alakul ki.

A Paschen-görbe azt mutatja, hogy a gázban az Upr áttörési feszültség függ az elektródák közötti távolság és a nyomás szorzatától — p * h. Például p * h = 0,7 Pascal * méternél a letörési feszültség körülbelül 330 volt. Az ettől az értéktől balra eső áttörési feszültség növekedése annak köszönhető, hogy csökken annak a valószínűsége, hogy egy elektron ütközik egy gázmolekulával.

Az elektronaffinitás egyes semleges molekulák és gázatomok azon képessége, hogy további elektronokat kapcsoljanak magukhoz, és negatív ionokká váljanak. A nagy elektronaffinitású atomokkal rendelkező gázokban az elektronegatív gázokban az elektronoknak nagy gyorsuló energiára van szükségük ahhoz, hogy lavinát hozzanak létre.

Ismeretes, hogy normál körülmények között, azaz normál hőmérsékleten és nyomáson a levegő dielektromos szilárdsága 1 cm-es résben körülbelül 3000 V / mm, de 0,3 MPa nyomáson (a szokásosnál háromszor nagyobb) ugyanazon levegő dielektromos szilárdsága megközelíti a 10 000 V / mm-t. Az SF6 gáz esetében, amely egy elektronegatív gáz, a dielektromos szilárdság normál körülmények között körülbelül 8700 V/mm. És 0,3 MPa nyomáson eléri a 20 000 V / mm-t.

Folyékony dielektrikumok dielektromos szilárdsága

Ami a folyékony dielektrikumokat illeti, dielektromos szilárdságuk nincs közvetlenül összefüggésben kémiai szerkezetükkel. És a fő dolog, ami befolyásolja a folyadék bomlási mechanizmusát, az a molekuláinak nagyon közeli elrendezése a gázhoz képest. A gázokra jellemző ütési ionizáció folyékony dielektrikumban lehetetlen.

Az ütközési ionizációs energia körülbelül 5 eV, és ha ezt az energiát az elektromos térerősség, az elektrontöltés és az átlagos szabad út szorzataként fejezzük ki, ami kb. 500 nanométer, majd ebből kiszámítjuk a dielektromos szilárdságot, 10 000 000 V/mm, és a folyadékok valós elektromos szilárdsága 20 000 és 40 000 V/mm között van.

A folyadékok dielektromos szilárdsága valójában a folyadékokban lévő gáz mennyiségétől függ. A dielektromos szilárdság függ azon elektródafelületek állapotától is, amelyekre a feszültség vonatkozik. A folyadékká való bomlás a kis gázbuborékok lebomlásával kezdődik.

A gáz dielektromos állandója sokkal alacsonyabb, így a buborékban lévő feszültség magasabb, mint a környező folyadékban. Ebben az esetben a gáz dielektromos szilárdsága kisebb. A buborékok kisülései buborékok növekedéséhez vezetnek, és végül a folyadék felbomlik a buborékokban lévő részleges kisülések következtében.

A szennyeződések fontos szerepet játszanak a folyékony dielektrikumok lebontási mechanizmusában. Vegyük például a transzformátorolajat. A korom és a víz, mint vezető szennyeződések csökkentik a dielektromos szilárdságot transzformátor olaj.

Bár a víz általában nem keveredik az olajjal, az olajban lévő legkisebb cseppjei elektromos tér hatására polarizálódnak, a környező olajhoz képest megnövekedett elektromos vezetőképességű áramköröket képeznek, és ennek következtében az olajlebomlás az áramkör mentén megy végbe.

A folyadékok dielektromos szilárdságának laboratóriumi körülmények között történő meghatározásához félgömb alakú elektródákat használnak, amelyek sugara többszöröse a köztük lévő távolságnak. Az elektródák közötti résben egységes elektromos tér jön létre. A tipikus távolság 2,5 mm.

A transzformátorolaj esetében a letörési feszültség nem lehet kevesebb 50 000 voltnál, és legjobb mintái 80 000 voltos áttörési feszültség értékben különböznek. Ugyanakkor ne feledje, hogy az ütközési ionizációs elméletben ennek a feszültségnek 2 000 000 - 3 000 000 voltnak kellett volna lennie.

Tehát a folyékony dielektrikum dielektromos szilárdságának növeléséhez szükséges:

• Tisztítsa meg a folyadékot a szilárd vezetőképes részecskéktől, például széntől, koromtól stb.;

• Távolítsa el a vizet a dielektromos folyadékból;

• Fertőtlenítse a folyadékot (ürítse ki);

• Növelje a folyadék nyomását.

Szilárd dielektrikumok dielektromos szilárdsága

A szilárd dielektrikumok dielektromos szilárdsága összefügg azzal az idővel, amely alatt az áttörési feszültséget alkalmazzák. És attól függően, hogy a dielektrikumra feszültséget mikor kapcsolnak, és az abban az időben előforduló fizikai folyamatoktól függően megkülönböztetik:

• Elektromos hiba, amely a feszültség bekapcsolása után másodpercek töredéke alatt következik be;

• Termikus összeomlás, amely másodpercek vagy akár órák alatt következik be;

• Részleges kisülések miatti üzemzavar, az expozíciós idő több mint egy év lehet.

A szilárd dielektrikum lebomlásának mechanizmusa abban áll, hogy az anyagban lévő kémiai kötések megsemmisülnek egy alkalmazott feszültség hatására, az anyag plazmává alakulásával. Vagyis egy szilárd dielektrikum elektromos szilárdsága és kémiai kötéseinek energiája közötti arányosságról beszélhetünk.

A szilárd dielektrikumok gyakran meghaladják a folyadékok és gázok dielektromos szilárdságát, például a szigetelőüveg elektromos szilárdsága körülbelül 70 000 V/mm, a polivinil-kloridé 40 000 V/mm, a polietiléné pedig 30 000 V/mm.

A hőbontás oka a dielektrikum felmelegedésében rejlik dielektromos veszteségamikor a teljesítményveszteség energiája meghaladja a dielektrikum által kivett energiát.

A hőmérséklet emelkedésével nő a hordozók száma, nő a vezetőképesség, nő a veszteségi szög, ezért a hőmérséklet még tovább nő és a dielektromos szilárdság csökken. Ennek eredményeként a dielektrikum felmelegedése miatt az ebből eredő meghibásodás kisebb feszültségen következik be, mint fűtés nélkül, vagyis ha a hiba tisztán elektromos volt.