Rezistență dielectrică

Rigiditatea dielectrică determină capacitatea unui dielectric de a rezista unei tensiuni electrice aplicate acestuia. Deci, rezistența electrică a dielectricului este înțeleasă ca valoarea medie a intensității câmpului electric Epr la care are loc o defecțiune electrică a dielectricului.

Defalcarea electrică a unui dielectric este un fenomen de creștere bruscă a conductibilității electrice a unui material dat sub acțiunea unei tensiuni aplicate acestuia, cu formarea ulterioară a unui canal de plasmă conductiv.

O defecțiune electrică în lichide sau gaze se mai numește și descărcare electrică. De fapt, se formează o astfel de descărcare curent de descărcare a condensatoruluiformată din electrozi cărora li se aplică o tensiune de ruptură.

În acest context, tensiunea de defalcare Upr este tensiunea la care începe defectarea electrică și, prin urmare, rigiditatea dielectrică poate fi găsită folosind următoarea formulă (unde h este grosimea probei care trebuie defalcată):

Epr = UNC/h

Evident, tensiunea de rupere în orice caz particular este legată de rezistența dielectrică a dielectricului considerat și depinde de grosimea spațiului dintre electrozi.În consecință, pe măsură ce decalajul dintre electrozi crește, crește și valoarea tensiunii de defalcare. În dielectricele lichide și gazoase, dezvoltarea descărcării în timpul defecțiunii are loc în moduri diferite.

Rigiditatea dielectrică a dielectricilor gazoși

Ionizare - procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion pozitiv sau negativ.

În procesul de distrugere a unui decalaj mare într-un dielectric gaz, urmează câteva etape una după alta:

1. Un electron liber apare în golul de gaz ca urmare a fotoionizării unei molecule de gaz, direct de la un electrod metalic sau accidental.

2. Electronul liber care apare în gol este accelerat de câmpul electric, energia electronului crește și în cele din urmă devine suficientă pentru a ioniza un atom neutru la ciocnirea cu acesta. Adică are loc ionizarea de impact.

3. Ca urmare a multor acțiuni de ionizare prin impact, se formează și se dezvoltă o avalanșă de electroni.

4. Se formează un streamer - un canal de plasmă format din ioni pozitivi rămași după trecerea unei avalanșe de electroni și negativi, care sunt acum atrași în plasma încărcată pozitiv.

5. Curentul capacitiv prin streamer provoacă ionizare termică, iar streamerul devine conductiv.

6. Când golul de descărcare este închis de canalul de descărcare, are loc descărcarea principală.

Dacă golul de descărcare este suficient de mic, atunci procesul de defalcare se poate termina deja în stadiul de defalcare a avalanșei sau în stadiul formării streamerului - în stadiul scânteii.

Rezistența electrică a gazelor este determinată de:

• Distanța dintre electrozi;

• Presiunea în gazul de forat;

• Afinitatea moleculelor de gaz pentru un electron, electronegativitatea unui gaz.

Relația de presiune este explicată după cum urmează. Pe măsură ce presiunea în gaz crește, distanțele dintre moleculele sale scad. În timpul accelerației, electronul trebuie să dobândească aceeași energie cu un drum liber mult mai scurt, care este suficient pentru a ioniza un atom.

Această energie este determinată de viteza electronului în timpul ciocnirii, iar viteza se dezvoltă datorită accelerației din forța care acționează asupra electronului din câmpul electric, adică datorită puterii acestuia.

Curba Paschen arată dependența tensiunii de defalcare Upr în gaz de produsul distanței dintre electrozi și presiunea — p * h. De exemplu, pentru aer la p * h = 0,7 Pascal * metru, tensiunea de defalcare este de aproximativ 330 de volți. Creșterea tensiunii de defalcare la stânga acestei valori se datorează faptului că probabilitatea ca un electron să se ciocnească cu o moleculă de gaz scade.

Afinitatea electronică este capacitatea unor molecule neutre și atomi de gaz de a atașa electroni suplimentari și de a deveni ioni negativi. În gazele cu atomi de mare afinitate electronică, în gazele electronegative electronii au nevoie de o energie de accelerare mare pentru a forma o avalanșă.

Se știe că în condiții normale, adică la temperatură și presiune normale, rezistența dielectrică a aerului într-un spațiu de 1 cm este de aproximativ 3000 V/mm, dar la o presiune de 0,3 MPa (de 3 ori mai mare decât de obicei) rigiditatea dielectrică a aceluiași aer se apropie de 10.000 V/mm. Pentru gazul SF6, un gaz electronegativ, rigiditatea dielectrică în condiții normale este de aproximativ 8700 V/mm. Și la o presiune de 0,3 MPa, ajunge la 20.000 V / mm.

Rigiditatea dielectrică a dielectricilor lichidi

În ceea ce privește dielectricii lichidi, rezistența lor dielectrică nu este direct legată de structura lor chimică. Și principalul lucru care afectează mecanismul de dezintegrare într-un lichid este aranjarea foarte apropiată, în comparație cu un gaz, a moleculelor sale. Ionizarea prin impact, caracteristică gazelor, este imposibilă într-un dielectric lichid.

Energia de ionizare a impactului este de aproximativ 5 eV, iar dacă exprimăm această energie ca produsul dintre intensitatea câmpului electric, sarcina electronului și calea liberă medie, care este de aproximativ 500 de nanometri, și apoi calculăm rezistența dielectrică din aceasta, vom obțineți 10.000.000 V/mm, iar rezistența electrică reală pentru lichide variază de la 20.000 la 40.000 V/mm.

Rigiditatea dielectrică a lichidelor depinde de fapt de cantitatea de gaz din acele lichide. De asemenea, rigiditatea dielectrică depinde de starea suprafețelor electrozilor la care se aplică tensiunea. Descompunerea într-un lichid începe cu descompunerea bulelor de gaz mici.

Gazul are o constantă dielectrică mult mai mică, astfel încât tensiunea din bule se dovedește a fi mai mare decât în ​​lichidul din jur. În acest caz, rigiditatea dielectrică a gazului este mai mică. Descărcările de bule conduc la creșterea bulelor și, în cele din urmă, are loc spargerea lichidului ca urmare a descărcărilor parțiale în bule.

Impuritățile joacă un rol important în mecanismul de dezvoltare a defalcării în dielectricii lichidi. Luați în considerare, de exemplu, uleiul de transformator. Funinginea și apa ca impurități conductoare reduc rigiditatea dielectrică ulei de transformator.

Deși de obicei apa nu se amestecă cu uleiul, cele mai mici picături ale sale din ulei sub acțiunea unui câmp electric se polarizează, formează circuite cu conductivitate electrică crescută în comparație cu uleiul din jur și, ca urmare, defalcarea uleiului are loc de-a lungul circuitului.

Pentru a determina rezistența dielectrică a lichidelor în condiții de laborator, se folosesc electrozi emisferici, a căror rază este de câteva ori mai mare decât distanța dintre ei. Un câmp electric uniform este creat în spațiul dintre electrozi. O distanță tipică este de 2,5 mm.

Pentru uleiul de transformator, tensiunea de avarie nu trebuie să fie mai mică de 50.000 de volți, iar cele mai bune probe ale sale diferă prin valoarea tensiunii de defalcare de 80.000 de volți. În același timp, amintiți-vă că, în teoria ionizării prin impact, această tensiune ar fi trebuit să fie de 2.000.000 — 3.000.000 de volți.

Deci, pentru a crește rezistența dielectrică a unui dielectric lichid, este necesar:

• Curățați lichidul de particule conductoare solide, cum ar fi cărbune, funingine etc.;

• Scoateți apa din fluidul dielectric;

• Dezinfectați lichidul (evacuați);

• Creșteți presiunea fluidului.

Rigiditatea dielectrică a dielectricilor solizi

Rigiditatea dielectrică a dielectricilor solizi este legată de timpul în care se aplică tensiunea de rupere. Și în funcție de momentul în care tensiunea este aplicată dielectricului și de procesele fizice care au loc în acel moment, se disting:

• Defecțiune electrică care apare în fracțiuni de secunde după aplicarea tensiunii;

• Colapsul termic care are loc în secunde sau chiar ore;

• Defecțiune din cauza descărcărilor parțiale, timpul de expunere poate fi mai mare de un an.

Mecanismul defalcării unui dielectric solid constă în distrugerea legăturilor chimice dintr-o substanță sub acțiunea unei tensiuni aplicate, cu transformarea substanței într-o plasmă. Adică, putem vorbi despre proporționalitatea dintre rezistența electrică a unui dielectric solid și energia legăturilor sale chimice.

Dielectricii solizi depășesc adesea rezistența dielectrică a lichidelor și gazelor, de exemplu, sticla izolatoare are o rezistență electrică de aproximativ 70.000 V/mm, clorură de polivinil - 40.000 V/mm și polietilena - 30.000 V/mm.

Cauza defectării termice constă în încălzirea dielectricului datorită pierderi dielectricecând energia de pierdere a puterii depășește energia eliminată de dielectric.

Pe măsură ce temperatura crește, numărul de purtători crește, conductivitatea crește, unghiul de pierdere crește și, prin urmare, temperatura crește și mai mult și rigiditatea dielectrică scade. Ca urmare, din cauza încălzirii dielectricului, defecțiunea rezultată are loc la o tensiune mai mică decât fără încălzire, adică dacă defecțiunea a fost pur electrică.