Dielektrisk styrka

Dielektrisk styrka bestämmer förmågan hos ett dielektrikum att motstå en elektrisk spänning som appliceras på den. Så, den elektriska styrkan hos dielektrikumet förstås som medelvärdet av den elektriska fältstyrkan Epr vid vilket ett elektriskt genombrott inträffar i dielektrikumet.

Den elektriska nedbrytningen av ett dielektrikum är ett fenomen med en kraftig ökning av den elektriska ledningsförmågan hos ett givet material under inverkan av en spänning som appliceras på det, med efterföljande bildande av en ledande plasmakanal.

Ett elektriskt haveri i vätskor eller gaser kallas även elektrisk urladdning. Faktum är att en sådan urladdning bildas kondensatorurladdningsströmbildas av elektroder på vilka en genomslagsspänning appliceras.

I detta sammanhang är genombrottsspänningen Upr den spänning vid vilken elektriskt genombrott börjar, och därför kan den dielektriska styrkan hittas med följande formel (där h är tjockleken på provet som ska brytas ner):

Epr = UNC/h

Uppenbarligen är genombrottsspänningen i något speciellt fall relaterad till den dielektriska styrkan hos det betraktade dielektrikumet och beror på tjockleken på gapet mellan elektroderna.Följaktligen, när gapet mellan elektroderna ökar, ökar också genomslagsspänningsvärdet. I flytande och gasformiga dielektrika sker utvecklingen av urladdningen vid nedbrytning på olika sätt.

Dielektrisk styrka hos gasformiga dielektrika

Jonisering - processen att omvandla en neutral atom till en positiv eller negativ jon.

I processen att bryta ner ett stort gap i ett gasdielektrikum följer flera steg efter varandra:

1. En fri elektron uppstår i gasgapet som ett resultat av fotojonisering av en gasmolekyl, direkt från en metallelektrod eller av misstag.

2. Den fria elektronen som uppträder i gapet accelereras av det elektriska fältet, elektronens energi ökar och blir så småningom tillräcklig för att jonisera en neutral atom vid kollision med den. Det vill säga stötjonisering sker.

3. Som ett resultat av många stötjoniseringsåtgärder bildas och utvecklas en elektronlavin.

4. En streamer bildas — en plasmakanal som bildas av positiva joner som finns kvar efter passagen av en lavin av elektroner, och negativa, som nu dras in i det positivt laddade plasmat.

5. Kapacitiv ström genom streamern orsakar termisk jonisering och streamern blir ledande.

6. När utloppsgapet stängs av utloppskanalen sker huvudurladdningen.

Om urladdningsgapet är tillräckligt litet, kan nedbrytningsprocessen sluta redan i skedet av lavinnedbrytning eller i skedet av streamerbildning - i gnistanstadiet.

Den elektriska styrkan hos gaser bestäms av:

• Avstånd mellan elektroderna;

• Tryck i gasen som ska borras;

• Gasmolekylers affinitet för en elektron, en gass elektronegativitet.

Tryckförhållandet förklaras enligt följande. När trycket i gasen ökar minskar avstånden mellan dess molekyler. Under accelerationen måste elektronen få samma energi med en mycket kortare fri väg, vilket räcker för att jonisera en atom.

Denna energi bestäms av elektronens hastighet under kollisionen, och hastigheten utvecklas på grund av acceleration från kraften som verkar på elektronen från det elektriska fältet, det vill säga på grund av dess styrka.

Paschen-kurvan visar beroendet av genomslagsspänningen Upr i gas på produkten av avståndet mellan elektroderna och trycket — p * h. Till exempel, för luft vid p * h = 0,7 Pascal * meter, är genomslagsspänningen cirka 330 volt. Ökningen av genombrottsspänningen till vänster om detta värde beror på att sannolikheten för att en elektron kolliderar med en gasmolekyl minskar.

Elektronaffinitet är förmågan hos vissa neutrala molekyler och gasatomer att fästa ytterligare elektroner till sig själva och bli negativa joner. I gaser med hög elektronaffinitetsatomer behöver elektronerna i elektronegativa gaser en stor accelererande energi för att bilda en lavin.

Det är känt att under normala förhållanden, det vill säga vid normal temperatur och tryck, är luftens dielektriska styrka i ett gap på 1 cm ungefär 3000 V/mm, men vid ett tryck på 0,3 MPa (3 gånger mer än vanligt) dielektrisk styrka för samma luft blir nära 10 000 V / mm. För SF6-gas, en elektronegativ gas, är den dielektriska hållfastheten under normala förhållanden cirka 8700 V/mm. Och vid ett tryck på 0,3 MPa når den 20 000 V / mm.

Dielektrisk hållfasthet hos flytande dielektrikum

När det gäller flytande dielektrika är deras dielektriska styrka inte direkt relaterad till deras kemiska struktur. Och det viktigaste som påverkar mekanismen för sönderfall i en vätska är det mycket nära arrangemanget, jämfört med en gas, av dess molekyler. Slagjonisering, karakteristisk för gaser, är omöjlig i ett flytande dielektrikum.

Slagjoniseringsenergin är ungefär 5 eV, och om vi uttrycker denna energi som produkten av den elektriska fältstyrkan, elektronladdningen och den genomsnittliga fria vägen, som är cirka 500 nanometer, och sedan beräknar den dielektriska styrkan utifrån det, få 10 000 000 V/mm, och den verkliga elektriska styrkan för vätskor varierar från 20 000 till 40 000 V/mm.

Den dielektriska styrkan hos vätskor beror faktiskt på mängden gas i dessa vätskor. Den dielektriska styrkan beror också på tillståndet hos elektrodytorna på vilka spänningen appliceras. Nedbrytning till en vätska börjar med nedbrytning av små gasbubblor.

Gasen har en mycket lägre dielektricitetskonstant, så spänningen i bubblan visar sig vara högre än i den omgivande vätskan. I detta fall är gasens dielektriska styrka lägre. Bubbelutsläpp leder till bubbeltillväxt och så småningom sker vätskesönderdelning som ett resultat av partiella utsläpp i bubblorna.

Föroreningar spelar en viktig roll i nedbrytningsutvecklingsmekanismen i flytande dielektrikum. Tänk till exempel på transformatorolja. Sot och vatten som ledande föroreningar minskar den dielektriska styrkan transformatorolja.

Även om vatten vanligtvis inte blandas med olja, polariserar dess minsta droppar i oljan under inverkan av ett elektriskt fält, bildar kretsar med ökad elektrisk ledningsförmåga jämfört med den omgivande oljan, och som ett resultat sker oljenedbrytning längs kretsen.

För att bestämma den dielektriska styrkan hos vätskor under laboratorieförhållanden används halvsfäriska elektroder, vars radie är flera gånger större än avståndet mellan dem. Ett enhetligt elektriskt fält skapas i gapet mellan elektroderna. Ett typiskt avstånd är 2,5 mm.

För transformatorolja bör genombrottsspänningen inte vara mindre än 50 000 volt, och dess bästa prover skiljer sig i genomslagsspänningsvärdet på 80 000 volt. Kom samtidigt ihåg att i slagjoniseringsteorin borde denna spänning ha varit 2 000 000 - 3 000 000 volt.

Så för att öka den dielektriska styrkan hos ett flytande dielektrikum är det nödvändigt:

• Rengör vätskan från fasta ledande partiklar som kol, sot, etc.;

• Ta bort vattnet från den dielektriska vätskan;

• Desinficera vätskan (evakuera);

• Öka vätsketrycket.

Dielektrisk hållfasthet hos fast dielektrik

Den dielektriska styrkan hos fasta dielektrika är relaterad till den tid under vilken genombrottsspänningen appliceras. Och beroende på tidpunkten när spänningen appliceras på dielektrikumet, och på de fysiska processerna som inträffar vid den tiden, skiljer de:

• Elektriskt fel som inträffar inom bråkdelar av sekunder efter att spänningen har lagts på;

• Termisk kollaps som inträffar på sekunder eller till och med timmar;

• Nedbrytning på grund av partiella urladdningar, exponeringstiden kan vara mer än ett år.

Mekanismen för nedbrytningen av ett fast dielektrikum består i förstörelsen av kemiska bindningar i ett ämne under inverkan av en applicerad spänning, med omvandlingen av ämnet till en plasma. Det vill säga, vi kan prata om proportionaliteten mellan den elektriska styrkan hos ett fast dielektrikum och energin hos dess kemiska bindningar.

Fasta dielektrika överskrider ofta den dielektriska styrkan hos vätskor och gaser, till exempel har isolerglas en elektrisk styrka på cirka 70 000 V/mm, polyvinylklorid - 40 000 V/mm och polyeten - 30 000 V/mm.

Orsaken till termiskt genombrott ligger i uppvärmningen av dielektrikumet pga dielektrisk förlustnär energiförlusten överstiger energin som avlägsnas av dielektrikumet.

När temperaturen ökar, ökar antalet bärare, konduktiviteten ökar, förlustvinkeln ökar, och därför ökar temperaturen ännu mer och den dielektriska styrkan minskar. Som ett resultat, på grund av uppvärmningen av dielektrikumet, inträffar det resulterande felet vid en lägre spänning än utan uppvärmning, det vill säga om felet var rent elektriskt.