Диелектрична чврстоћа

Диелектрична чврстоћа одређује способност диелектрика да издржи електрични напон који се на њега примењује. Дакле, електрична чврстоћа диелектрика се схвата као просечна вредност јачине електричног поља Епр при којој долази до електричног слома у диелектрику.

Електрични слом диелектрика је појава наглог повећања електричне проводљивости датог материјала под дејством напона који се на њега примењује, уз накнадно формирање проводног плазма канала.

Електрични квар у течностима или гасовима назива се и електрично пражњење. У ствари, такво пражњење се формира струја пражњења кондензатораформиране од електрода на које се примењује пробојни напон.

У овом контексту, пробојни напон Упр је напон при којем почиње електрични слом, и стога се диелектрична чврстоћа може пронаћи помоћу следеће формуле (где је х дебљина узорка који треба да се разбије):

Епр = УНЦ/х

Очигледно је да је пробојни напон у сваком конкретном случају повезан са диелектричком чврстоћом разматраног диелектрика и зависи од дебљине јаза између електрода.Сходно томе, како се размак између електрода повећава, повећава се и вредност пробојног напона. У течним и гасовитим диелектрицима, развој пражњења при пробоју се дешава на различите начине.

Диелектрична чврстоћа гасовитих диелектрика

Јонизација — процес претварања неутралног атома у позитиван или негативан јон.

У процесу разбијања великог зазора у гасном диелектрику следи неколико фаза једна за другом:

1. Слободан електрон се појављује у гасном процепу као резултат фотојонизације молекула гаса, директно са металне електроде или случајно.

2. Слободан електрон који се појављује у процепу убрзава се електричним пољем, енергија електрона се повећава и на крају постаје довољна да јонизује неутрални атом при судару са њим. То јест, долази до ударне јонизације.

3. Као резултат многих дејстава ударне јонизације, формира се и развија лавина електрона.

4. Формира се стример — плазма канал формиран од позитивних јона преосталих након проласка лавине електрона, и негативних, који се сада увлаче у позитивно наелектрисану плазму.

5. Капацитивна струја кроз стреамер изазива термичку јонизацију и стреамер постаје проводљив.

6. Када је пражњење затворено каналом за пражњење, долази до главног пражњења.

Ако је празнина довољно мала, онда се процес квара може завршити већ у фази слома лавине или у фази формирања струја - у фази искре.

Електричну снагу гасова одређује:

• Удаљеност између електрода;

• Притисак у гасу за бушење;

• Афинитет молекула гаса за електрон, електронегативност гаса.

Однос притиска је објашњен на следећи начин. Како се притисак у гасу повећава, растојања између његових молекула се смањују. Током убрзања, електрон мора да добије исту енергију са много краћим слободним путем, што је довољно да јонизује атом.

Ова енергија је одређена брзином електрона током судара, а брзина се развија услед убрзања од силе која делује на електрон из електричног поља, односно због његове јачине.

Пашенова крива показује зависност пробојног напона Упр у гасу од производа растојања између електрода и притиска — п * х. На пример, за ваздух на п * х = 0,7 Пасцал * метар, пробојни напон је око 330 волти. Повећање напона пробоја лево од ове вредности је због чињенице да се смањује вероватноћа судара електрона са молекулом гаса.

Електронски афинитет је способност неких неутралних молекула и атома гаса да прикаче додатне електроне за себе и постану негативни јони. У гасовима са високим атомима афинитета према електронима, у електронегативним гасовима електронима је потребна велика енергија убрзања да би формирали лавину.

Познато је да је у нормалним условима, односно при нормалној температури и притиску, диелектрична чврстоћа ваздуха у размаку од 1 цм приближно 3000 В/мм, али при притиску од 0,3 МПа (3 пута више од уобичајеног) диелектрична чврстоћа истог ваздуха постаје близу 10.000 В / мм. За гас СФ6, електронегативан гас, диелектрична чврстоћа у нормалним условима је приближно 8700 В/мм. А при притиску од 0,3 МПа достиже 20.000 В / мм.

Диелектрична чврстоћа течних диелектрика

Што се тиче течних диелектрика, њихова диелектрична чврстоћа није директно повезана са њиховом хемијском структуром. А главна ствар која утиче на механизам распадања у течности је веома близак, у поређењу са гасом, распоред његових молекула. Ударна јонизација, карактеристична за гасове, немогућа је у течном диелектрику.

Енергија ударне јонизације је приближно 5 еВ, а ако ову енергију изразимо као производ јачине електричног поља, наелектрисања електрона и средњег слободног пута, што је око 500 нанометара, а затим из тога израчунамо диелектричну чврстоћу, добијају 10.000.000 В/мм, а стварна електрична снага за течности се креће од 20.000 до 40.000 В/мм.

Диелектрична чврстоћа течности заправо зависи од количине гаса у тим течностима. Такође, диелектрична чврстоћа зависи од стања површина електрода на које се примењује напон. Разбијање у течност почиње разбијањем малих гасних мехурића.

Гас има много нижу диелектричну константу, па се испоставља да је напон у мехуру већи него у околној течности. У овом случају, диелектрична чврстоћа гаса је мања. Пражњења мехурића доводе до раста мехурића и на крају долази до распада течности као резултат делимичног пражњења у мехурићима.

Нечистоће играју важну улогу у механизму развоја пропадања у течним диелектрицима. Размотрите, на пример, трансформаторско уље. Чађ и вода као проводне нечистоће смањују диелектричну чврстоћу трансформаторско уље.

Иако се вода обично не меша са нафтом, њене најмање капљице у уљу под дејством електричног поља поларишу се, формирају кола са повећаном електричном проводљивошћу у односу на околно уље и као резултат тога долази до распада уља дуж кола.

За одређивање диелектричне чврстоће течности у лабораторијским условима користе се хемисферне електроде, чији је полупречник неколико пута већи од растојања између њих. У процепу између електрода ствара се једнолично електрично поље. Типично растојање је 2,5 мм.

За трансформаторско уље, пробојни напон не би требало да буде мањи од 50.000 волти, а његови најбољи узорци разликују се у вредности напона пробоја од 80.000 волти. У исто време, запамтите да је у теорији ударне јонизације овај напон требало да буде 2.000.000 - 3.000.000 волти.

Дакле, да би се повећала диелектрична чврстоћа течног диелектрика, потребно је:

• Очистите течност од чврстих проводних честица као што су угаљ, чађ итд.;

• Уклоните воду из диелектричне течности;

• Дезинфиковати течност (евакуисати);

• Повећајте притисак течности.

Диелектрична чврстоћа чврстих диелектрика

Диелектрична чврстоћа чврстих диелектрика повезана је са временом током којег се примењује пробојни напон. И у зависности од времена када се напон примењује на диелектрик, и од физичких процеса који се у то време дешавају, разликују:

• Електрични квар који се јавља у делићима секунди након примене напона;

• Термички колапс који се јавља за неколико секунди или чак сати;

• Квар због делимичних пражњења, време излагања може бити дуже од годину дана.

Механизам распада чврстог диелектрика састоји се у разарању хемијских веза у супстанци под дејством примењеног напона, уз трансформацију супстанце у плазму. То јест, можемо говорити о пропорционалности између електричне снаге чврстог диелектрика и енергије његових хемијских веза.

Чврсти диелектрици често премашују диелектричну чврстоћу течности и гасова, на пример, изолационо стакло има електричну чврстоћу од око 70.000 В/мм, поливинилхлорид — 40.000 В/мм, а полиетилен — 30.000 В/мм.

Узрок термичког слома лежи у загревању диелектрика због диелектрични губитаккада енергија губитка снаге премашује енергију коју уклања диелектрик.

Како температура расте, број носилаца се повећава, проводљивост се повећава, угао губитка се повећава, а самим тим температура још више расте и диелектрична чврстоћа се смањује. Као резултат тога, услед загревања диелектрика, настали квар настаје на нижем напону него без грејања, односно ако је квар био чисто електрични.