Диелектрична якост

Диелектричната якост определя способността на даден диелектрик да издържа на електрическо напрежение, приложено към него. И така, електрическата якост на диелектрика се разбира като средната стойност на силата на електрическото поле Епр, при която в диелектрика настъпва електрически пробив.

Електрическото разрушаване на диелектрик е явление на рязко увеличаване на електрическата проводимост на даден материал под действието на приложено към него напрежение, с последващо образуване на проводим плазмен канал.

Електрически срив в течности или газове се нарича още електрически разряд. Всъщност се образува такъв разряд ток на разреждане на кондензатораобразувани от електроди, към които се прилага пробивно напрежение.

В този контекст, пробивното напрежение Upr е напрежението, при което започва електрически пробив, и следователно диелектричната якост може да се намери по следната формула (където h е дебелината на пробата, която трябва да се пробие):

Epr = UНС/з

Очевидно пробивното напрежение във всеки конкретен случай е свързано с диелектричната якост на разглеждания диелектрик и зависи от дебелината на пролуката между електродите. Съответно, с увеличаване на пролуката между електродите, стойността на пробивното напрежение също се увеличава. В течните и газообразните диелектрици развитието на разряда по време на разрушаване протича по различни начини.

Диелектрична якост на газообразни диелектрици

Йонизация — процесът на превръщане на неутрален атом в положителен или отрицателен йон.

В процеса на разрушаване на голяма празнина в газов диелектрик следват няколко етапа един след друг:

1. В газовата междина в резултат на фотоионизация на газова молекула, директно от метален електрод или случайно се появява свободен електрон.

2. Свободният електрон, появяващ се в процепа, се ускорява от електрическото поле, енергията на електрона се увеличава и в крайна сметка става достатъчна за йонизация на неутрален атом при сблъсък с него. Тоест настъпва ударна йонизация.

3. В резултат на много действия на йонизация на удара се образува и развива електронна лавина.

4. Образува се стример — плазмен канал, образуван от положителни йони, останали след преминаването на лавина от електрони, и отрицателни, които сега се изтеглят в положително заредената плазма.

5. Капацитивният ток през стримера причинява термична йонизация и стримерът се превръща в водещ.

6. Когато разтоварващата междина се затвори от изпускателния канал, възниква основният разряд.

Ако разрядният разрив е достатъчно малък, тогава процесът на разрушаване може да приключи вече на етапа на лавинен пробив или на етапа на образуване на стример — на етапа на искрата.

Електрическата якост на газовете се определя от:

• Разстояние между електродите;

• Налягане в газа, който трябва да се пробие;

• Афинитетът на газовите молекули към електрон, електроотрицателността на газ.

Връзката с налягането се обяснява по следния начин. С увеличаване на налягането в газа разстоянията между неговите молекули намаляват. По време на ускорението електронът трябва да придобие същата енергия при много по -кратък свободен път, което е достатъчно, за да йонизира атом.

Тази енергия се определя от скоростта на електрона по време на сблъсък, а скоростта се развива поради ускорение от силата, действаща върху електрона от електрическото поле, тоест поради неговата сила.

Кривата на Пашен показва зависимостта на пробивното напрежение Upr в газ от произведението на разстоянието между електродите и налягането — p * h. Например, за въздух при р * h = 0,7 Паскал * метър, пробивното напрежение е около 330 волта. Увеличаването на пробивното напрежение вляво от тази стойност се дължи на факта, че вероятността от сблъсък на електрон с молекула газ намалява.

Афинитетът към електроните е способността на някои неутрални молекули и атоми на газове да прикрепят допълнителни електрони към себе си и да станат отрицателни йони. В газове с атоми с висок афинитет към електрон, в електроотрицателни газове електроните се нуждаят от голяма ускорителна енергия, за да образуват лавина.

Известно е, че при нормални условия, тоест при нормални температура и налягане, диелектричната якост на въздуха в междина от 1 cm е приблизително 3000 V / mm, но при налягане от 0,3 MPa (3 пъти повече от обичайното) диелектричната якост на същия въздух става близо до 10 000 V / mm. За газ SF6, електроотрицателен газ, диелектричната якост при нормални условия е приблизително 8700 V / mm. И при налягане от 0,3 МРа достига 20 000 V / mm.

Диелектрична якост на течни диелектрици

Що се отнася до течните диелектрици, тяхната диелектрична якост не е пряко свързана с химическата им структура. И основното, което влияе върху механизма на разпадане в течност, е много близкото, в сравнение с газ, подреждане на нейните молекули. Ударната йонизация, характерна за газовете, е невъзможна в течен диелектрик.

Енергията на ударната йонизация е приблизително 5 eV и ако изразим тази енергия като продукт на силата на електрическото поле, електронния заряд и средния свободен път, който е около 500 нанометра, и след това изчисляваме диелектричната якост от него, получаваме 10 000 000 V / mm, а реалната електрическа якост за течности варира от 20 000 до 40 000 V / mm.

Диелектричната якост на течностите в действителност зависи от количеството газ в тези течности. Също така, диелектричната якост зависи от състоянието на повърхностите на електродите, към които се прилага напрежението. Разграждането в течност започва с разграждането на малки газови мехурчета.

Газът има много по -ниска диелектрична константа, така че напрежението в балона се оказва по -високо, отколкото в околната течност. В този случай диелектричната якост на газа е по -ниска. Изпусканията с балончета водят до растеж на мехурчета и в крайна сметка се получава разпадане на течността в резултат на частични зауствания в мехурчетата.

Примесите играят важна роля в механизма на развитие на разпадане в течни диелектрици. Помислете например за трансформаторно масло. Саждите и водата като проводими примеси намаляват диелектричната якост трансформаторно масло.

Въпреки че водата обикновено не се смесва с маслото, най -малките му капчици в маслото под действието на електрическо поле се поляризират, образуват вериги с повишена електропроводимост в сравнение с околното масло и в резултат на това по веригата настъпва разпадане на маслото.

За определяне на диелектричната якост на течностите в лабораторни условия се използват полусферични електроди, чийто радиус е няколко пъти по -голям от разстоянието между тях. В пролуката между електродите се създава равномерно електрическо поле. Типичното разстояние е 2,5 мм.

За трансформаторно масло, пробивното напрежение не трябва да бъде по -малко от 50 000 волта, а най -добрите му проби се различават по стойността на пробивното напрежение от 80 000 волта. В същото време не забравяйте, че в теорията на йонизацията на удара това напрежение трябваше да бъде 2 000 000 — 3 000 000 волта.

Така че, за да се увеличи диелектричната якост на течен диелектрик, е необходимо:

• Изчистете течността от твърди проводими частици като въглища, сажди и др.;

• Премахнете водата от диелектричната течност;

• Дезинфекцирайте течността (евакуирайте);

• Увеличете налягането на течността.

Диелектрична якост на твърди диелектрици

Диелектричната якост на твърдите диелектрици е свързана с времето, през което се прилага пробивното напрежение. И в зависимост от времето, когато напрежението е приложено към диелектрика, и от физическите процеси, които се случват по това време, те разграничават:

• Електрическа повреда, която възниква за части от секунди след подаване на напрежение;

• Топлинен срив, който настъпва за секунди или дори часове;

• Разбивка поради частични зауствания, времето на експозиция може да бъде повече от година.

Механизмът на разпадане на твърд диелектрик се състои в разрушаване на химични връзки в вещество под действието на приложено напрежение, с трансформиране на веществото в плазма. Тоест можем да говорим за пропорционалността между електрическата якост на твърд диелектрик и енергията на неговите химични връзки.

Твърдите диелектрици често надвишават диелектричната якост на течности и газове, например изолационното стъкло има електрическа якост около 70 000 V / mm, поливинилхлорид — 40 000 V / mm, а полиетилен — 30 000 V / mm.

Причината за термичния срив се крие в нагряването на диелектрика поради диелектрична загубакогато енергията на загуба на мощност надвишава енергията, отстранена от диелектрика.

С повишаване на температурата броят на носителите се увеличава, проводимостта нараства, ъгълът на загуба се увеличава и следователно температурата се повишава още повече и диелектричната якост намалява. В резултат на това поради нагряването на диелектрика възникващата повреда се получава при напрежение по -ниско, отколкото без нагряване, тоест ако повредата е била чисто електрическа.