Dielektriline tugevus

Dielektriline tugevus määrab dielektriku võime taluda sellele rakendatavat elektrilist pinget. Niisiis, dielektriku elektritugevuse all mõistetakse elektrivälja tugevuse Epr keskmist väärtust, mille juures toimub dielektrikus elektriline rike.

Dielektriku elektriline purunemine on nähtus, kus antud materjali elektrijuhtivus suureneb järsult sellele rakendatud pinge mõjul, millele järgneb juhtiva plasmakanali moodustumine.

Elektrilist riket vedelikes või gaasides nimetatakse ka elektrilahenduseks. Tegelikult tekib selline tühjendus kondensaatori tühjendusvoolmoodustavad elektroodid, millele rakendatakse läbilöögipinget.

Selles kontekstis on läbilöögipinge Upr pinge, mille juures elektriline purunemine algab ja seetõttu saab dielektrilise tugevuse leida järgmise valemi abil (kus h on lagundatava proovi paksus):

Epr = UNC/h

Ilmselgelt on läbilöögipinge igal konkreetsel juhul seotud vaadeldava dielektriku dielektrilise tugevusega ja sõltub elektroodide vahelise pilu paksusest.Vastavalt sellele, kui elektroodide vahe suureneb, suureneb ka läbilöögipinge väärtus. Vedelates ja gaasilistes dielektrikutes toimub tühjenemine lagunemise ajal erineval viisil.

Gaasiliste dielektrikute dielektriline tugevus

Ionisatsioon – neutraalse aatomi muundamine positiivseks või negatiivseks iooniks.

Gaasidielektriku suure tühimiku purustamise protsessis järgneb üksteise järel mitu etappi:

1. Gaasipilusse tekib vaba elektron gaasimolekuli fotoionisatsiooni tulemusena, otse metallelektroodilt või kogemata.

2. Vahesse ilmuvat vaba elektroni kiirendab elektriväli, elektroni energia suureneb ja lõpuks muutub piisavaks neutraalse aatomi ioniseerimiseks sellega kokkupõrkel. See tähendab, et toimub löökionisatsioon.

3. Paljude löökionisatsiooni toimete tulemusena tekib ja areneb elektronlaviin.

4. Moodustub striimer — plasmakanal, mille moodustavad positiivsed ioonid, mis on jäänud pärast elektronide laviini läbimist, ja negatiivsed, mis tõmbuvad nüüd positiivselt laetud plasmasse.

5. Voomerit läbiv mahtuvuslik vool põhjustab termilise ionisatsiooni ja striimer muutub juhtivaks.

6. Kui tühjenduspilu suletakse tühjenduskanaliga, toimub peamine tühjendus.

Kui tühjenduspilu on piisavalt väike, võib lagunemisprotsess lõppeda juba laviini purunemise staadiumis või voodri moodustumise etapis - sädeme staadiumis.

Gaaside elektriline tugevus määratakse:

• Elektroodide vaheline kaugus;

• Puuritava gaasi rõhk;

• Gaasi molekulide afiinsus elektroni suhtes, gaasi elektronegatiivsus.

Surve seost selgitatakse järgmiselt. Kui rõhk gaasis suureneb, vähenevad selle molekulide vahelised kaugused. Kiirenduse käigus peab elektron palju lühema vaba teega omandama sama energia, millest piisab aatomi ioniseerimiseks.

Selle energia määrab elektroni kiirus kokkupõrke ajal ja kiirus kujuneb kiirenduse tõttu elektriväljast elektronile mõjuvast jõust ehk tema tugevusest.

Pascheni kõver näitab gaasi läbilöögipinge Upr sõltuvust elektroodide vahelise kauguse ja rõhu korrutisest — p * h. Näiteks õhu puhul p * h = 0,7 Pascal * meeter on läbilöögipinge umbes 330 volti. Läbilöögipinge tõus sellest väärtusest vasakule tuleneb sellest, et elektroni gaasimolekuliga kokkupõrke tõenäosus väheneb.

Elektronide afiinsus on mõnede neutraalsete molekulide ja gaasiaatomite võime siduda enda külge täiendavaid elektrone ja muutuda negatiivseteks ioonideks. Suure elektronafiinsusega aatomitega gaasides vajavad elektronegatiivsetes gaasides elektronid laviini moodustamiseks suurt kiirendavat energiat.

On teada, et normaaltingimustes, st normaalsel temperatuuril ja rõhul, on õhu dielektriline tugevus 1 cm vahes ligikaudu 3000 V / mm, kuid rõhul 0,3 MPa (3 korda rohkem kui tavaliselt) sama õhu dielektriline tugevus läheneb 10 000 V / mm. SF6 gaasi, elektronegatiivse gaasi puhul on dielektriline tugevus tavatingimustes ligikaudu 8700 V/mm. Ja rõhul 0,3 MPa jõuab see 20 000 V / mm.

Vedelate dielektrikute dielektriline tugevus

Mis puudutab vedelaid dielektrikuid, siis nende dielektriline tugevus ei ole otseselt seotud nende keemilise struktuuriga. Ja peamine asi, mis vedelikus lagunemise mehhanismi mõjutab, on selle molekulide väga lähedane paigutus gaasiga võrreldes. Vedelas dielektrikus on gaasidele iseloomulik löökionisatsioon võimatu.

Löögiionisatsioonienergia on ligikaudu 5 eV ja kui me väljendame seda energiat elektrivälja tugevuse, elektroni laengu ja keskmise vaba tee korrutisena, mis on umbes 500 nanomeetrit, ning arvutame selle põhjal dielektritugevuse. saada 10 000 000 V/mm ja vedelike tegelik elektriline tugevus jääb vahemikku 20 000–40 000 V/mm.

Vedelike dielektriline tugevus sõltub tegelikult gaasi kogusest nendes vedelikes. Samuti sõltub dielektriline tugevus nende elektroodipindade seisundist, millele pinge rakendatakse. Vedelikuks lagunemine algab väikeste gaasimullide lagunemisega.

Gaasil on palju madalam dielektriline konstant, nii et mulli pinge osutub kõrgemaks kui ümbritsevas vedelikus. Sel juhul on gaasi dielektriline tugevus väiksem. Mullide eraldumine põhjustab mullide kasvu ja lõpuks toimub vedeliku lagunemine mullides tekkivate osaliste väljavoolude tagajärjel.

Lisandid mängivad olulist rolli vedelate dielektrikute lagunemise mehhanismis. Mõelge näiteks trafoõlile. Tahm ja vesi juhtivate lisanditena vähendavad dielektrilist tugevust trafo õli.

Kuigi vesi tavaliselt õliga ei segune, siis selle väikseimad piisad õlis elektrivälja toimel polariseeruvad, moodustavad ümbritseva õliga võrreldes suurenenud elektrijuhtivusega ahelaid ning selle tulemusena toimub piki ahelat õli purunemine.

Vedelike dielektrilise tugevuse määramiseks laboritingimustes kasutatakse poolkerakujulisi elektroode, mille raadius on mitu korda suurem kui nendevaheline kaugus. Elektroodide vahes tekib ühtlane elektriväli. Tavaline vahekaugus on 2,5 mm.

Trafoõli puhul ei tohiks läbilöögipinge olla väiksem kui 50 000 volti ja selle parimad proovid erinevad läbilöögipinge väärtusest 80 000 volti. Samal ajal pidage meeles, et löökionisatsiooni teoorias pidi see pinge olema 2 000 000 - 3 000 000 volti.

Niisiis, vedela dielektriku dielektrilise tugevuse suurendamiseks on vaja:

• Puhastage vedelik tahketest juhtivatest osakestest nagu kivisüsi, tahm jne;

• Eemaldage vesi dielektrilisest vedelikust;

• Desinfitseerige vedelik (evakueerige);

• Suurendage vedeliku rõhku.

Tahkete dielektrikute dielektriline tugevus

Tahkete dielektrikute dielektriline tugevus on seotud ajaga, mille jooksul rakendatakse läbilöögipinget. Ja sõltuvalt ajast, mil dielektrikule pinge rakendatakse, ja sel ajal toimuvatest füüsikalistest protsessidest eristavad nad:

• elektrikatkestus, mis tekib sekundi murdosa jooksul pärast pinge rakendamist;

• Termiline kollaps, mis toimub sekundite või isegi tundide jooksul;

• Rikke osaliste heidete tõttu, kokkupuuteaeg võib olla üle aasta.

Tahke dielektriku lagunemise mehhanism seisneb keemiliste sidemete hävitamises aines rakendatud pinge toimel koos aine muundumisega plasmaks. See tähendab, et saame rääkida proportsionaalsusest tahke dielektriku elektrilise tugevuse ja selle keemiliste sidemete energia vahel.

Tahked dielektrikud ületavad sageli vedelike ja gaaside dielektrilise tugevuse, näiteks isoleerklaasil on elektriline tugevus umbes 70 000 V/mm, polüvinüülkloriidil 40 000 V/mm ja polüetüleenil 30 000 V/mm.

Termilise purunemise põhjus seisneb dielektriku kuumenemises dielektriline kadukui võimsuskao energia ületab dielektriku poolt eemaldatava energia.

Temperatuuri tõustes suureneb kandjate arv, suureneb juhtivus, suureneb kadunurk ja seetõttu tõuseb temperatuur veelgi ja dielektriline tugevus väheneb. Selle tulemusena tekib dielektriku kuumenemise tõttu tekkinud rike madalamal pingel kui ilma kuumutamiseta, st kui rike oli puhtalt elektriline.