Διηλεκτρική αντοχή

Η διηλεκτρική ισχύς καθορίζει την ικανότητα ενός διηλεκτρικού να αντέχει την ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται σε αυτό. Έτσι, η ηλεκτρική ισχύς του διηλεκτρικού νοείται ως η μέση τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου Epr στην οποία συμβαίνει μια ηλεκτρική διάσπαση στο διηλεκτρικό.

Η ηλεκτρική διάσπαση ενός διηλεκτρικού είναι ένα φαινόμενο μιας απότομης αύξησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός δεδομένου υλικού υπό τη δράση μιας τάσης που εφαρμόζεται σε αυτό, με τον επακόλουθο σχηματισμό ενός αγώγιμου καναλιού πλάσματος.

Μια ηλεκτρική διάσπαση σε υγρά ή αέρια ονομάζεται επίσης ηλεκτρική εκκένωση. Στην πραγματικότητα, σχηματίζεται μια τέτοια εκκένωση ρεύμα εκφόρτισης πυκνωτήσχηματίζεται από ηλεκτρόδια στα οποία εφαρμόζεται τάση διάσπασης.

Σε αυτό το πλαίσιο, η τάση διάσπασης Upr είναι η τάση στην οποία αρχίζει η ηλεκτρική διάσπαση και επομένως η διηλεκτρική ισχύς μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο (όπου h είναι το πάχος του δείγματος που πρόκειται να αναλυθεί):

Epr = UNC/h

Προφανώς, η τάση διάσπασης σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση σχετίζεται με τη διηλεκτρική ισχύ του εξεταζόμενου διηλεκτρικού και εξαρτάται από το πάχος του διακένου μεταξύ των ηλεκτροδίων.Αντίστοιχα, καθώς αυξάνεται το διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων, αυξάνεται και η τιμή της τάσης διάσπασης. Στα υγρά και αέρια διηλεκτρικά, η ανάπτυξη της εκκένωσης κατά τη διάσπαση συμβαίνει με διαφορετικούς τρόπους.

Διηλεκτρική αντοχή αερίων διηλεκτρικών

Ιονισμός — η διαδικασία μετατροπής ενός ουδέτερου ατόμου σε θετικό ή αρνητικό ιόν.

Στη διαδικασία διάσπασης ενός μεγάλου κενού σε ένα διηλεκτρικό αερίου, ακολουθούν διάφορα στάδια το ένα μετά το άλλο:

1. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο εμφανίζεται στο διάκενο αερίου ως αποτέλεσμα φωτοϊονισμού μορίου αερίου, απευθείας από μεταλλικό ηλεκτρόδιο ή κατά λάθος.

2. Το ελεύθερο ηλεκτρόνιο που εμφανίζεται στο διάκενο επιταχύνεται από το ηλεκτρικό πεδίο, η ενέργεια του ηλεκτρονίου αυξάνεται και τελικά γίνεται επαρκής για να ιονίσει ένα ουδέτερο άτομο κατά τη σύγκρουση με αυτό. Δηλαδή, συμβαίνει ιοντισμός κρούσης.

3. Ως αποτέλεσμα πολλών ενεργειών ιοντισμού κρούσης, σχηματίζεται και αναπτύσσεται μια χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων.

4. Σχηματίζεται ένα streamer — ένας δίαυλος πλάσματος που σχηματίζεται από θετικά ιόντα που έχουν απομείνει μετά το πέρασμα μιας χιονοστιβάδας ηλεκτρονίων, και αρνητικά, τα οποία τώρα σύρονται στο θετικά φορτισμένο πλάσμα.

5. Το χωρητικό ρεύμα που διαπερνά τη σερπαντίνα προκαλεί θερμικό ιονισμό και η ταινία γίνεται αγώγιμη.

6. Όταν το διάκενο εκφόρτισης κλείσει από το κανάλι εκφόρτισης, εμφανίζεται η κύρια εκφόρτιση.

Εάν το κενό εκφόρτισης είναι αρκετά μικρό, τότε η διαδικασία διάσπασης μπορεί να τελειώσει ήδη στο στάδιο της κατάρρευσης χιονοστιβάδας ή στο στάδιο του σχηματισμού του streamer - στο στάδιο του σπινθήρα.

Η ηλεκτρική ισχύς των αερίων καθορίζεται από:

• Απόσταση μεταξύ ηλεκτροδίων.

• Πίεση στο αέριο προς διάτρηση.

• Η συγγένεια των μορίων αερίου για ένα ηλεκτρόνιο, η ηλεκτραρνητικότητα ενός αερίου.

Η σχέση πίεσης εξηγείται ως εξής. Καθώς η πίεση στο αέριο αυξάνεται, οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων του μειώνονται. Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, το ηλεκτρόνιο πρέπει να αποκτήσει την ίδια ενέργεια με πολύ μικρότερη ελεύθερη διαδρομή, η οποία είναι αρκετή για να ιονίσει ένα άτομο.

Αυτή η ενέργεια καθορίζεται από την ταχύτητα του ηλεκτρονίου κατά τη σύγκρουση και η ταχύτητα αναπτύσσεται λόγω της επιτάχυνσης από τη δύναμη που ασκεί το ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρικό πεδίο, δηλαδή λόγω της ισχύος του.

Η καμπύλη Paschen δείχνει την εξάρτηση της τάσης διάσπασης Upr στο αέριο από το γινόμενο της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων και της πίεσης — p * h. Για παράδειγμα, για αέρα σε p * h = 0,7 Pascal * μέτρο, η τάση διακοπής είναι περίπου 330 volt. Η αύξηση της τάσης διάσπασης στα αριστερά αυτής της τιμής οφείλεται στο γεγονός ότι μειώνεται η πιθανότητα σύγκρουσης ηλεκτρονίου με μόριο αερίου.

Η συγγένεια ηλεκτρονίων είναι η ικανότητα ορισμένων ουδέτερων μορίων και ατόμων αερίου να προσκολλούν πρόσθετα ηλεκτρόνια στον εαυτό τους και να γίνονται αρνητικά ιόντα. Σε αέρια με άτομα υψηλής συγγένειας ηλεκτρονίων, σε ηλεκτραρνητικά αέρια τα ηλεκτρόνια χρειάζονται μεγάλη επιταχυνόμενη ενέργεια για να σχηματίσουν μια χιονοστιβάδα.

Είναι γνωστό ότι υπό κανονικές συνθήκες, δηλαδή σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, η διηλεκτρική ισχύς του αέρα σε διάκενο 1 cm είναι περίπου 3000 V / mm, αλλά σε πίεση 0,3 MPa (3 φορές μεγαλύτερη από το συνηθισμένο) η διηλεκτρική ισχύς του ίδιου αέρα γίνεται κοντά στα 10.000 V / mm. Για το αέριο SF6, ένα ηλεκτραρνητικό αέριο, η διηλεκτρική ισχύς υπό κανονικές συνθήκες είναι περίπου 8700 V/mm. Και σε πίεση 0,3 MPa, φτάνει τα 20.000 V / mm.

Διηλεκτρική αντοχή υγρών διηλεκτρικών

Όσον αφορά τα υγρά διηλεκτρικά, η διηλεκτρική τους ισχύς δεν σχετίζεται άμεσα με τη χημική τους δομή. Και το κύριο πράγμα που επηρεάζει τον μηχανισμό διάσπασης σε ένα υγρό είναι η πολύ κοντινή, σε σύγκριση με ένα αέριο, διάταξη των μορίων του. Ο ιονισμός κρούσης, χαρακτηριστικός των αερίων, είναι αδύνατος σε ένα υγρό διηλεκτρικό.

Η ενέργεια ιοντισμού κρούσης είναι περίπου 5 eV και αν εκφράσουμε αυτή την ενέργεια ως το γινόμενο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, του φορτίου ηλεκτρονίου και της μέσης ελεύθερης διαδρομής, που είναι περίπου 500 νανόμετρα, και στη συνέχεια υπολογίσουμε τη διηλεκτρική ισχύ από αυτό, λάβετε 10.000.000 V/mm και η πραγματική ηλεκτρική ισχύς για τα υγρά κυμαίνεται από 20.000 έως 40.000 V / mm.

Η διηλεκτρική ισχύς των υγρών στην πραγματικότητα εξαρτάται από την ποσότητα αερίου σε αυτά τα υγρά. Επίσης, η διηλεκτρική αντοχή εξαρτάται από την κατάσταση των επιφανειών των ηλεκτροδίων στις οποίες εφαρμόζεται η τάση. Η διάσπαση σε υγρό αρχίζει με τη διάσπαση μικρών φυσαλίδων αερίου.

Το αέριο έχει πολύ χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά, επομένως η τάση στη φυσαλίδα αποδεικνύεται υψηλότερη από ό,τι στο περιβάλλον υγρό. Σε αυτή την περίπτωση, η διηλεκτρική ισχύς του αερίου είναι χαμηλότερη. Οι εκκενώσεις φυσαλίδων οδηγούν σε ανάπτυξη φυσαλίδων και τελικά η διάσπαση του υγρού συμβαίνει ως αποτέλεσμα μερικών εκκενώσεων στις φυσαλίδες.

Οι ακαθαρσίες παίζουν σημαντικό ρόλο στον μηχανισμό ανάπτυξης διάσπασης στα υγρά διηλεκτρικά. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, το λάδι μετασχηματιστή. Η αιθάλη και το νερό ως αγώγιμες ακαθαρσίες μειώνουν τη διηλεκτρική αντοχή λάδι μετασχηματιστή.

Αν και το νερό συνήθως δεν αναμειγνύεται με το λάδι, τα μικρότερα σταγονίδια του στο λάδι υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου πολώνονται, σχηματίζουν κυκλώματα με αυξημένη ηλεκτρική αγωγιμότητα σε σύγκριση με το περιβάλλον λάδι και ως αποτέλεσμα, συμβαίνει διάσπαση λαδιού κατά μήκος του κυκλώματος.

Για τον προσδιορισμό της διηλεκτρικής ισχύος των υγρών σε εργαστηριακές συνθήκες, χρησιμοποιούνται ημισφαιρικά ηλεκτρόδια, η ακτίνα των οποίων είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη από την απόσταση μεταξύ τους. Ένα ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται στο κενό μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η τυπική απόσταση είναι 2,5 mm.

Για το λάδι μετασχηματιστή, η τάση διάσπασης δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 50.000 βολτ και τα καλύτερα δείγματά του διαφέρουν στην τιμή της τάσης διάσπασης των 80.000 βολτ. Ταυτόχρονα, να θυμάστε ότι στη θεωρία ιονισμού κρούσης αυτή η τάση θα έπρεπε να ήταν 2.000.000 — 3.000.000 βολτ.

Έτσι, για να αυξηθεί η διηλεκτρική αντοχή ενός υγρού διηλεκτρικού, είναι απαραίτητο:

• Καθαρίστε το υγρό από στερεά αγώγιμα σωματίδια όπως άνθρακας, αιθάλη κ.λπ.

• Αφαιρέστε το νερό από το διηλεκτρικό υγρό.

• Απολυμάνετε το υγρό (εκκενώστε).

• Αυξήστε την πίεση του υγρού.

Διηλεκτρική αντοχή στερεών διηλεκτρικών

Η διηλεκτρική ισχύς των στερεών διηλεκτρικών σχετίζεται με το χρόνο κατά τον οποίο εφαρμόζεται η τάση διάσπασης. Και ανάλογα με τη στιγμή που εφαρμόζεται η τάση στο διηλεκτρικό και με τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν εκείνη τη στιγμή, διακρίνουν:

• Ηλεκτρική βλάβη που συμβαίνει σε κλάσματα δευτερολέπτων μετά την εφαρμογή τάσης.

• Θερμική κατάρρευση που συμβαίνει σε δευτερόλεπτα ή και ώρες.

• Βλάβη λόγω μερικών εκκενώσεων, ο χρόνος έκθεσης μπορεί να είναι μεγαλύτερος από ένα έτος.

Ο μηχανισμός διάσπασης ενός στερεού διηλεκτρικού συνίσταται στην καταστροφή χημικών δεσμών σε μια ουσία υπό τη δράση εφαρμοζόμενης τάσης, με τη μετατροπή της ουσίας σε πλάσμα. Δηλαδή, μπορούμε να μιλήσουμε για την αναλογία μεταξύ της ηλεκτρικής αντοχής ενός στερεού διηλεκτρικού και της ενέργειας των χημικών του δεσμών.

Τα στερεά διηλεκτρικά συχνά υπερβαίνουν τη διηλεκτρική ισχύ υγρών και αερίων, για παράδειγμα, το μονωτικό γυαλί έχει ηλεκτρική ισχύ περίπου 70.000 V/mm, το πολυβινυλοχλωρίδιο — 40.000 V/mm και το πολυαιθυλένιο — 30.000 V/mm.

Η αιτία της θερμικής διάσπασης έγκειται στη θέρμανση του διηλεκτρικού λόγω διηλεκτρική απώλειαόταν η ενέργεια απώλειας ισχύος υπερβαίνει την ενέργεια που αφαιρείται από το διηλεκτρικό.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο αριθμός των φορέων αυξάνεται, η αγωγιμότητα αυξάνεται, η γωνία απώλειας αυξάνεται και επομένως η θερμοκρασία αυξάνεται ακόμη περισσότερο και η διηλεκτρική ισχύς μειώνεται. Ως αποτέλεσμα, λόγω της θέρμανσης του διηλεκτρικού, η προκύπτουσα αστοχία συμβαίνει σε χαμηλότερη τάση από ό,τι χωρίς θέρμανση, δηλαδή εάν η βλάβη ήταν καθαρά ηλεκτρική.