Dielektrisk styrke

Dielektrisk styrke bestemmer et dielektrikums evne til at modstå en elektrisk spænding påført det. Så den elektriske styrke af dielektrikumet forstås som den gennemsnitlige værdi af den elektriske feltstyrke Epr, ved hvilken der opstår et elektrisk nedbrud i dielektrikumet.

Den elektriske nedbrydning af et dielektrikum er et fænomen med en kraftig stigning i den elektriske ledningsevne af et givet materiale under påvirkning af en spænding påført det, med den efterfølgende dannelse af en ledende plasmakanal.

Et elektrisk nedbrud i væsker eller gasser kaldes også en elektrisk udladning. Faktisk dannes en sådan udledning kondensator afladningsstrømdannet af elektroder, på hvilke der påføres en gennemslagsspænding.

I denne sammenhæng er nedbrydningsspændingen Upr den spænding, ved hvilken elektrisk nedbrud begynder, og derfor kan den dielektriske styrke findes ved hjælp af følgende formel (hvor h er tykkelsen af ​​prøven, der skal nedbrydes):

Epr = UNC/h

Det er klart, at gennemslagsspændingen i ethvert særligt tilfælde er relateret til den dielektriske styrke af det betragtede dielektrikum og afhænger af tykkelsen af ​​mellemrummet mellem elektroderne.Følgelig, når afstanden mellem elektroderne øges, øges værdien af ​​gennembrudsspændingen også. I flydende og gasformige dielektrika sker udviklingen af ​​udladningen under nedbrydning på forskellige måder.

Dielektrisk styrke af gasformige dielektriske stoffer

Ionisering - processen med at omdanne et neutralt atom til en positiv eller negativ ion.

I processen med at nedbryde et stort hul i et gasdielektrikum følger flere trin efter hinanden:

1. En fri elektron opstår i gasgabet som følge af fotoionisering af et gasmolekyle, direkte fra en metalelektrode eller ved et uheld.

2. Den frie elektron, der optræder i mellemrummet, accelereres af det elektriske felt, elektronens energi øges og bliver til sidst tilstrækkelig til at ionisere et neutralt atom ved kollision med det. Det vil sige, at der sker stødionisering.

3. Som et resultat af mange stødioniseringshandlinger dannes og udvikles en elektronlavine.

4. Der dannes en streamer - en plasmakanal dannet af positive ioner tilbage efter passagen af ​​en lavine af elektroner, og negative, som nu trækkes ind i det positivt ladede plasma.

5. Kapacitiv strøm gennem streameren forårsager termisk ionisering, og streameren bliver ledende.

6. Når udledningsgabet lukkes af udløbskanalen, sker hovedudledningen.

Hvis udledningsgabet er lille nok, kan nedbrydningsprocessen ende allerede på stadiet med lavinesammenbrud eller på stadiet af streamerdannelse - på stadiet af gnisten.

Den elektriske styrke af gasser bestemmes af:

• Afstand mellem elektroder;

• Tryk i gassen, der skal bores;

• Affiniteten af ​​gasmolekyler til en elektron, elektronegativiteten af ​​en gas.

Trykforholdet forklares som følger. Når trykket i gassen stiger, mindskes afstanden mellem dens molekyler. Under accelerationen skal elektronen tilegne sig den samme energi med en meget kortere fri vej, hvilket er nok til at ionisere et atom.

Denne energi bestemmes af elektronens hastighed under kollisionen, og hastigheden udvikles på grund af acceleration fra kraften, der virker på elektronen fra det elektriske felt, altså på grund af dens styrke.

Paschen-kurven viser afhængigheden af ​​gennemslagsspændingen Upr i gas af produktet af afstanden mellem elektroderne og trykket — p * h. For eksempel for luft ved p * h = 0,7 Pascal * meter, er nedbrydningsspændingen omkring 330 volt. Stigningen i nedbrydningsspændingen til venstre for denne værdi skyldes, at sandsynligheden for, at en elektron kolliderer med et gasmolekyle, falder.

Elektronaffinitet er evnen hos nogle neutrale molekyler og gasatomer til at knytte yderligere elektroner til sig selv og blive negative ioner. I gasser med høj elektronaffinitetsatomer har elektronerne i elektronegative gasser brug for en stor accelererende energi for at danne en lavine.

Det er kendt, at under normale forhold, det vil sige ved normal temperatur og tryk, er den dielektriske styrke af luft i et mellemrum på 1 cm ca. 3000 V/mm, men ved et tryk på 0,3 MPa (3 gange mere end normalt) dielektrisk styrke af den samme luft bliver tæt på 10.000 V / mm. For SF6-gas, en elektronegativ gas, er den dielektriske styrke under normale forhold ca. 8700 V/mm. Og ved et tryk på 0,3 MPa når den 20.000 V / mm.

Dielektrisk styrke af flydende dielektrikum

Hvad angår flydende dielektriske stoffer, er deres dielektriske styrke ikke direkte relateret til deres kemiske struktur. Og det vigtigste, der påvirker mekanismen for henfald i en væske, er det meget tætte arrangement af dens molekyler sammenlignet med en gas. Slagionisering, karakteristisk for gasser, er umulig i et flydende dielektrikum.

Slagioniseringsenergien er cirka 5 eV, og hvis vi udtrykker denne energi som produktet af den elektriske feltstyrke, elektronladningen og den gennemsnitlige frie vej, som er omkring 500 nanometer, og derefter beregner den dielektriske styrke ud fra det, få 10.000.000 V/mm, og den reelle elektriske styrke for væsker varierer fra 20.000 til 40.000 V/mm.

Den dielektriske styrke af væsker afhænger faktisk af mængden af ​​gas i disse væsker. Den dielektriske styrke afhænger også af tilstanden af ​​elektrodeoverfladerne, som spændingen påføres. Nedbrydning til en væske begynder med nedbrydning af små gasbobler.

Gassen har en meget lavere dielektricitetskonstant, så spændingen i boblen viser sig at være højere end i den omgivende væske. I dette tilfælde er gassens dielektriske styrke lavere. Bobleudledninger fører til boblevækst og til sidst sker væskeopbrydning som følge af delvise udledninger i boblerne.

Urenheder spiller en vigtig rolle i nedbrydningsudviklingsmekanismen i flydende dielektrikum. Overvej for eksempel transformerolie. Sod og vand som ledende urenheder reducerer den dielektriske styrke transformer olie.

Selvom vand normalt ikke blandes med olie, polariserer dets mindste dråber i olien under påvirkning af et elektrisk felt, danner kredsløb med øget elektrisk ledningsevne sammenlignet med den omgivende olie, og som et resultat sker der olienedbrydning langs kredsløbet.

For at bestemme den dielektriske styrke af væsker under laboratorieforhold anvendes halvkugleformede elektroder, hvis radius er flere gange større end afstanden mellem dem. Et ensartet elektrisk felt skabes i mellemrummet mellem elektroderne. En typisk afstand er 2,5 mm.

For transformerolie bør nedbrydningsspændingen ikke være mindre end 50.000 volt, og dens bedste prøver adskiller sig i nedbrydningsspændingsværdien på 80.000 volt. Samtidig skal du huske, at i effektioniseringsteorien burde denne spænding have været 2.000.000 - 3.000.000 volt.

Så for at øge den dielektriske styrke af et flydende dielektrikum er det nødvendigt:

• Rengør væsken for faste ledende partikler såsom kul, sod osv.;

• Fjern vandet fra den dielektriske væske;

• Desinficer væsken (evakuer);

• Øg væsketrykket.

Dielektrisk styrke af faste dielektriske stoffer

Den dielektriske styrke af faste dielektriske stoffer er relateret til den tid, hvori gennembrudsspændingen påføres. Og afhængigt af det tidspunkt, hvor spændingen påføres dielektrikumet, og af de fysiske processer, der opstår på det tidspunkt, skelner de:

• Elektrisk fejl, der opstår i brøkdele af sekunder efter, at spændingen er påført;

• Termisk kollaps, der opstår på sekunder eller endda timer;

• Nedbrud på grund af delvise udledninger, eksponeringstiden kan være mere end et år.

Mekanismen for nedbrydning af et fast dielektrikum består i ødelæggelsen af ​​kemiske bindinger i et stof under påvirkning af en påført spænding med omdannelsen af ​​stoffet til et plasma. Det vil sige, vi kan tale om proportionaliteten mellem den elektriske styrke af et fast dielektrikum og energien af ​​dets kemiske bindinger.

Faste dielektriske stoffer overstiger ofte den dielektriske styrke af væsker og gasser, for eksempel har isoleringsglas en elektrisk styrke på omkring 70.000 V/mm, polyvinylchlorid - 40.000 V/mm og polyethylen - 30.000 V/mm.

Årsagen til termisk nedbrud ligger i opvarmningen af ​​dielektrikumet pga dielektrisk tabnår energitabsenergien overstiger den energi, der fjernes af dielektrikumet.

Når temperaturen stiger, stiger antallet af bærere, ledningsevnen øges, tabsvinklen øges, og derfor stiger temperaturen endnu mere, og den dielektriske styrke falder. Som et resultat, på grund af opvarmningen af ​​dielektrikumet, opstår den resulterende fejl ved en lavere spænding end uden opvarmning, det vil sige hvis fejlen var rent elektrisk.