Dielektrická pevnost

Dielektrická pevnost určuje schopnost dielektrika odolat elektrickému napětí, které je na něj aplikováno. Elektrická pevnost dielektrika je tedy chápána jako průměrná hodnota intenzity elektrického pole Epr, při které dochází k elektrickému průrazu v dielektriku.

Elektrický průraz dielektrika je jev prudkého zvýšení elektrické vodivosti daného materiálu působením napětí na něj aplikovaného s následným vytvořením vodivého plazmového kanálu.

Elektrický průraz v kapalinách nebo plynech se také nazývá elektrický výboj. Ve skutečnosti se takový výboj tvoří vybíjecí proud kondenzátorutvořené elektrodami, na které je přivedeno průrazné napětí.

V této souvislosti je průrazné napětí Upr napětí, při kterém začíná elektrický průraz, a proto lze dielektrickou pevnost zjistit pomocí následujícího vzorce (kde h je tloušťka vzorku, který má být rozložen):

Epr = UNC/h

Je zřejmé, že průrazné napětí v každém konkrétním případě souvisí s dielektrickou pevností uvažovaného dielektrika a závisí na tloušťce mezery mezi elektrodami.V souladu s tím, jak se mezera mezi elektrodami zvětšuje, hodnota průrazného napětí se také zvyšuje. V kapalných a plynných dielektrikách dochází k rozvoji výboje při průrazu různými způsoby.

Dielektrická pevnost plynných dielektrik

Ionizace – proces přeměny neutrálního atomu na kladný nebo záporný iont.

V procesu prolomení velké mezery v plynovém dielektriku následuje několik fází po sobě:

1. Volný elektron se objeví v plynové mezeře jako výsledek fotoionizace molekuly plynu, přímo z kovové elektrody nebo náhodně.

2. Volný elektron objevující se v mezeře je urychlován elektrickým polem, energie elektronu se zvyšuje a nakonec se stane dostatečnou k ionizaci neutrálního atomu při srážce s ním. To znamená, že dochází k nárazové ionizaci.

3. V důsledku mnoha nárazových ionizačních akcí se vytvoří a rozvine elektronová lavina.

4. Vznikne streamer — plazmový kanál tvořený kladnými ionty, které zbyly po průchodu lavinou elektronů, a zápornými ionty, které jsou nyní vtahovány do kladně nabitého plazmatu.

5. Kapacitní proud procházející streamerem způsobuje tepelnou ionizaci a streamer se stává vodivým.

6. Když je výtlačná mezera uzavřena výtlačným kanálem, dojde k hlavnímu výboji.

Pokud je vypouštěcí mezera dostatečně malá, může proces rozpadu skončit již ve fázi lavinového rozpadu nebo ve fázi tvorby streameru - ve fázi jiskry.

Elektrická pevnost plynů je určena:

• Vzdálenost mezi elektrodami;

• Tlak v plynu, který má být vrtán;

• Afinita molekul plynu k elektronu, elektronegativita plynu.

Tlakový vztah je vysvětlen následovně. S rostoucím tlakem v plynu se zmenšují vzdálenosti mezi jeho molekulami. Při urychlování musí elektron získat stejnou energii s mnohem kratší volnou cestou, která stačí k ionizaci atomu.

Tato energie je určena rychlostí elektronu při srážce a rychlost se vyvíjí v důsledku zrychlení od síly působící na elektron z elektrického pole, tedy v důsledku jeho síly.

Paschenova křivka ukazuje závislost průrazného napětí Upr v plynu na součinu vzdálenosti mezi elektrodami a tlaku — p * h. Například pro vzduch při p * h = 0,7 Pascal * metru je průrazné napětí asi 330 voltů. Nárůst průrazného napětí vlevo od této hodnoty je způsoben tím, že klesá pravděpodobnost srážky elektronu s molekulou plynu.

Elektronová afinita je schopnost některých neutrálních molekul a atomů plynu připojit k sobě další elektrony a stát se zápornými ionty. V plynech s atomy s vysokou elektronovou afinitou, v elektronegativních plynech potřebují elektrony k vytvoření laviny velkou urychlovací energii.

Je známo, že za normálních podmínek, tedy za normální teploty a tlaku, je dielektrická pevnost vzduchu v mezeře 1 cm přibližně 3000 V / mm, ale při tlaku 0,3 MPa (3krát více než obvykle) dielektrická pevnost stejného vzduchu se blíží 10 000 V / mm. Pro plyn SF6, elektronegativní plyn, je dielektrická pevnost za normálních podmínek přibližně 8700 V/mm. A při tlaku 0,3 MPa dosahuje 20 000 V / mm.

Dielektrická pevnost kapalných dielektrik

Co se týče kapalných dielektrik, jejich dielektrická pevnost přímo nesouvisí s jejich chemickou strukturou. A to hlavní, co ovlivňuje mechanismus rozpadu v kapalině, je velmi těsné, ve srovnání s plynem, uspořádání jejích molekul. Nárazová ionizace, charakteristická pro plyny, je v kapalném dielektriku nemožná.

Dopadová ionizační energie je přibližně 5 eV, a pokud tuto energii vyjádříme jako součin síly elektrického pole, náboje elektronu a střední volné dráhy, což je asi 500 nanometrů, a z toho pak vypočteme dielektrickou pevnost, získat 10 000 000 V/mm a skutečná elektrická pevnost pro kapaliny se pohybuje od 20 000 do 40 000 V/mm.

Dielektrická pevnost kapalin ve skutečnosti závisí na množství plynu v těchto kapalinách. Také dielektrická pevnost závisí na stavu povrchů elektrod, na které je napětí aplikováno. Rozklad na kapalinu začíná rozpadem malých bublinek plynu.

Plyn má mnohem nižší dielektrickou konstantu, takže napětí v bublině je vyšší než v okolní kapalině. V tomto případě je dielektrická pevnost plynu nižší. Bublinové výboje vedou k růstu bublin a nakonec dochází k rozpadu kapaliny v důsledku částečných výbojů v bublinách.

Nečistoty hrají důležitou roli v mechanismu rozvoje rozpadu v kapalných dielektrikách. Vezměme si například transformátorový olej. Saze a voda jako vodivé nečistoty snižují dielektrickou pevnost transformátorový olej.

Voda se sice obvykle nemísí s olejem, ale její nejmenší kapičky v oleji se působením elektrického pole polarizují, tvoří obvody se zvýšenou elektrickou vodivostí ve srovnání s okolním olejem a v důsledku toho dochází podél okruhu k rozpadu oleje.

Pro stanovení dielektrické pevnosti kapalin v laboratorních podmínkách se používají polokulové elektrody, jejichž poloměr je několikanásobně větší než vzdálenost mezi nimi. V mezeře mezi elektrodami vzniká rovnoměrné elektrické pole. Typická vzdálenost je 2,5 mm.

U transformátorového oleje by průrazné napětí nemělo být menší než 50 000 voltů a jeho nejlepší vzorky se liší hodnotou průrazného napětí 80 000 voltů. Zároveň si pamatujte, že v teorii nárazové ionizace mělo být toto napětí 2 000 000 — 3 000 000 voltů.

Pro zvýšení dielektrické pevnosti kapalného dielektrika je tedy nutné:

• Očistěte kapalinu od pevných vodivých částic, jako je uhlí, saze atd.;

• Odstraňte vodu z dielektrické kapaliny;

• Dezinfikujte kapalinu (evakuujte);

• Zvyšte tlak kapaliny.

Dielektrická pevnost pevných dielektrik

Dielektrická pevnost pevných dielektrik souvisí s dobou, po kterou je průrazné napětí aplikováno. A v závislosti na době, kdy je napětí aplikováno na dielektrikum, a na fyzikálních procesech, které se v té době vyskytují, rozlišují:

• Elektrická porucha, ke které dojde během zlomků sekund po připojení napětí;

• Tepelný kolaps, ke kterému dochází v sekundách nebo dokonce hodinách;

• Porucha v důsledku částečných výbojů, doba expozice může být delší než rok.

Mechanismus rozpadu pevného dielektrika spočívá v destrukci chemických vazeb v látce působením přiloženého napětí s přeměnou látky na plazma. To znamená, že můžeme mluvit o úměrnosti mezi elektrickou pevností pevného dielektrika a energií jeho chemických vazeb.

Pevná dielektrika často překračují dielektrickou pevnost kapalin a plynů, například izolační sklo má elektrickou pevnost asi 70 000 V/mm, polyvinylchlorid — 40 000 V/mm a polyethylen — 30 000 V/mm.

Příčina tepelného průrazu spočívá v zahřívání dielektrika v důsledku dielektrické ztrátykdyž ztrátová energie překročí energii odebranou dielektrikem.

S rostoucí teplotou se zvyšuje počet nosičů, zvyšuje se vodivost, zvětšuje se ztrátový úhel, a proto se teplota ještě zvyšuje a dielektrická pevnost klesá. V důsledku zahřívání dielektrika dochází k výsledné poruše při nižším napětí než bez zahřívání, tedy pokud byla porucha čistě elektrická.