Dielektrisk styrke

Dielektrisk styrke bestemmer evnen til et dielektrikum til å motstå en elektrisk spenning påført det. Så den elektriske styrken til dielektrikumet forstås som gjennomsnittsverdien av den elektriske feltstyrken Epr hvor det oppstår et elektrisk sammenbrudd i dielektrikumet.

Den elektriske sammenbruddet av et dielektrikum er et fenomen med en kraftig økning i den elektriske ledningsevnen til et gitt materiale under påvirkning av en spenning påført det, med påfølgende dannelse av en ledende plasmakanal.

Et elektrisk sammenbrudd i væsker eller gasser kalles også en elektrisk utladning. Faktisk dannes en slik utslipp kondensatorutladningsstrømdannet av elektroder som en gjennomslagsspenning påføres.

I denne sammenhengen er sammenbruddsspenningen Upr spenningen som elektrisk sammenbrudd begynner ved, og derfor kan den dielektriske styrken finnes ved å bruke følgende formel (hvor h er tykkelsen på prøven som skal brytes ned):

Epr = UNC/h

Åpenbart er nedbrytningsspenningen i ethvert spesielt tilfelle relatert til den dielektriske styrken til det betraktede dielektrikumet og avhenger av tykkelsen på gapet mellom elektrodene.Følgelig, når gapet mellom elektrodene øker, øker også sammenbruddsspenningsverdien. I flytende og gassformig dielektrikum skjer utviklingen av utladningen under sammenbrudd på forskjellige måter.

Dielektrisk styrke til gassformig dielektrikum

Ionisering - prosessen med å konvertere et nøytralt atom til et positivt eller negativt ion.

I prosessen med å bryte ned et stort gap i et gassdielektrisk, følger flere stadier etter hverandre:

1. Et fritt elektron vises i gassgapet som følge av fotoionisering av et gassmolekyl, direkte fra en metallelektrode eller ved et uhell.

2. Det frie elektronet som vises i gapet akselereres av det elektriske feltet, energien til elektronet øker og blir til slutt tilstrekkelig til å ionisere et nøytralt atom ved kollisjon med det. Det vil si at det oppstår slagionisering.

3. Som et resultat av mange slagioniseringshandlinger dannes og utvikles et elektronskred.

4. En streamer dannes — en plasmakanal dannet av positive ioner som er igjen etter passasjen av et snøskred av elektroner, og negative, som nå trekkes inn i det positivt ladede plasmaet.

5. Kapasitiv strøm gjennom streameren forårsaker termisk ionisering og streameren blir ledende.

6. Når utslippsgapet lukkes av utslippskanalen, skjer hovedutslippet.

Hvis utslippsgapet er lite nok, kan sammenbruddsprosessen ende allerede på stadiet av skredsammenbrudd eller på stadiet av streamerdannelse - på stadiet av gnisten.

Den elektriske styrken til gasser bestemmes av:

• Avstand mellom elektrodene;

• Trykk i gassen som skal bores;

• Affiniteten til gassmolekyler for et elektron, elektronegativiteten til en gass.

Trykkforholdet forklares som følger. Når trykket i gassen øker, reduseres avstandene mellom molekylene. Under akselerasjonen må elektronet tilegne seg samme energi med mye kortere fri bane, noe som er nok til å ionisere et atom.

Denne energien bestemmes av hastigheten til elektronet under kollisjonen, og hastigheten utvikles på grunn av akselerasjon fra kraften som virker på elektronet fra det elektriske feltet, det vil si på grunn av dets styrke.

Paschen-kurven viser avhengigheten av sammenbruddsspenningen Upr i gass av produktet av avstanden mellom elektrodene og trykket — p * h. For eksempel, for luft ved p * h = 0,7 Pascal * meter, er sammenbruddsspenningen omtrent 330 volt. Økningen i nedbrytningsspenning til venstre for denne verdien skyldes at sannsynligheten for at et elektron kolliderer med et gassmolekyl avtar.

Elektronaffinitet er evnen til noen nøytrale molekyler og gassatomer til å feste ytterligere elektroner til seg selv og bli negative ioner. I gasser med høy elektronaffinitetsatomer, i elektronegative gasser trenger elektronene en stor akselererende energi for å danne et snøskred.

Det er kjent at under normale forhold, det vil si ved normal temperatur og trykk, er den dielektriske styrken til luft i et gap på 1 cm omtrent 3000 V / mm, men ved et trykk på 0,3 MPa (3 ganger mer enn vanlig) dielektrisk styrke av samme luft blir nær 10 000 V / mm. For SF6-gass, en elektronegativ gass, er den dielektriske styrken under normale forhold omtrent 8700 V/mm. Og ved et trykk på 0,3 MPa når den 20 000 V / mm.

Dielektrisk styrke til flytende dielektriske stoffer

Når det gjelder flytende dielektriske stoffer, er deres dielektriske styrke ikke direkte relatert til deres kjemiske struktur. Og det viktigste som påvirker mekanismen for forfall i en væske er det svært nære arrangementet av molekylene sammenlignet med en gass. Slagionisering, karakteristisk for gasser, er umulig i et flytende dielektrikum.

Slagioniseringsenergien er omtrent 5 eV, og hvis vi uttrykker denne energien som produktet av den elektriske feltstyrken, elektronladningen og den gjennomsnittlige frie banen, som er omtrent 500 nanometer, og deretter beregner den dielektriske styrken fra det, vil vi få 10 000 000 V/mm, og den reelle elektriske styrken for væsker varierer fra 20 000 til 40 000 V/mm.

Den dielektriske styrken til væsker avhenger faktisk av mengden gass i disse væskene. Den dielektriske styrken avhenger også av tilstanden til elektrodeoverflatene som spenningen påføres. Nedbrytning til væske begynner med nedbrytning av små gassbobler.

Gassen har en mye lavere dielektrisitetskonstant, så spenningen i boblen viser seg å være høyere enn i væsken rundt. I dette tilfellet er den dielektriske styrken til gassen lavere. Bobleutslipp fører til boblevekst og til slutt oppstår væskebrudd som følge av delvis utslipp i boblene.

Urenheter spiller en viktig rolle i nedbrytningsutviklingsmekanismen i flytende dielektriske stoffer. Tenk for eksempel på transformatorolje. Sot og vann som ledende urenheter reduserer den dielektriske styrken transformatorolje.

Selv om vann vanligvis ikke blandes med olje, polariserer de minste dråpene i oljen under påvirkning av et elektrisk felt, danner kretser med økt elektrisk ledningsevne sammenlignet med den omkringliggende oljen, og som et resultat oppstår oljenedbrytning langs kretsen.

For å bestemme den dielektriske styrken til væsker under laboratorieforhold, brukes halvkuleformede elektroder, hvis radius er flere ganger større enn avstanden mellom dem. Et jevnt elektrisk felt dannes i gapet mellom elektrodene. En typisk avstand er 2,5 mm.

For transformatorolje bør sammenbruddsspenningen ikke være mindre enn 50 000 volt, og de beste prøvene varierer i sammenbruddsspenningsverdien på 80 000 volt. Samtidig, husk at i effektioniseringsteorien burde denne spenningen vært 2 000 000 - 3 000 000 volt.

Så for å øke den dielektriske styrken til et flytende dielektrikum, er det nødvendig:

• Rengjør væsken fra faste ledende partikler som kull, sot, etc.;

• Fjern vannet fra den dielektriske væsken;

• Desinfiser væsken (evakuer);

• Øk væsketrykket.

Dielektrisk styrke til faste dielektriske stoffer

Den dielektriske styrken til faste dielektriske stoffer er relatert til tiden som nedbrytningsspenningen påføres. Og avhengig av tidspunktet når spenningen påføres dielektrikumet, og de fysiske prosessene som skjer på den tiden, skiller de:

• Elektrisk feil som oppstår i brøkdeler av sekunder etter at spenningen er påført;

• Termisk kollaps som oppstår på sekunder eller til og med timer;

• Sammenbrudd på grunn av delvis utslipp, eksponeringstiden kan være mer enn ett år.

Mekanismen for nedbrytningen av et fast dielektrikum består i ødeleggelsen av kjemiske bindinger i et stoff under påvirkning av en påført spenning, med transformasjon av stoffet til et plasma. Det vil si at vi kan snakke om proporsjonaliteten mellom den elektriske styrken til et fast dielektrikum og energien til dets kjemiske bindinger.

Faste dielektriske stoffer overskrider ofte den dielektriske styrken til væsker og gasser, for eksempel har isolerglass en elektrisk styrke på omtrent 70 000 V/mm, polyvinylklorid - 40 000 V/mm og polyetylen - 30 000 V/mm.

Årsaken til termisk sammenbrudd ligger i oppvarmingen av dielektrikumet pga dielektrisk tapnår energitapet overstiger energien som fjernes av dielektrikumet.

Når temperaturen øker, øker antallet bærere, ledningsevnen øker, tapsvinkelen øker, og derfor øker temperaturen enda mer og den dielektriske styrken avtar. Som et resultat, på grunn av oppvarmingen av dielektrikumet, oppstår den resulterende feilen ved en lavere spenning enn uten oppvarming, det vil si hvis feilen var rent elektrisk.