Diëlektrische sterkte

Diëlektrische sterkte bepaalt het vermogen van een diëlektricum om weerstand te bieden aan een elektrische spanning die erop wordt aangebracht. De elektrische sterkte van het diëlektricum wordt dus begrepen als de gemiddelde waarde van de elektrische veldsterkte Epr waarbij een elektrische storing optreedt in het diëlektricum.

De elektrische doorslag van een diëlektricum is een fenomeen van een sterke toename van de elektrische geleidbaarheid van een bepaald materiaal onder invloed van een spanning erop, met de daaropvolgende vorming van een geleidend plasmakanaal.

Een elektrische storing in vloeistoffen of gassen wordt ook wel een elektrische ontlading genoemd. In feite wordt zo'n ontlading gevormd condensator ontlaadstroomgevormd door elektroden waarop een doorslagspanning wordt aangelegd.

In deze context is de doorslagspanning Upr de spanning waarbij elektrische doorslag begint, en daarom kan de diëlektrische sterkte worden gevonden met behulp van de volgende formule (waarbij h de dikte is van het te doorbreken monster):

Epr = UNC/u

Het is duidelijk dat de doorslagspanning in elk specifiek geval gerelateerd is aan de diëlektrische sterkte van het beschouwde diëlektricum en afhangt van de dikte van de opening tussen de elektroden.Naarmate de opening tussen de elektroden groter wordt, neemt dus ook de waarde van de doorslagspanning toe. In vloeibare en gasvormige diëlektrica vindt de ontwikkeling van de ontlading tijdens doorslag op verschillende manieren plaats.

Diëlektrische sterkte van gasvormige diëlektrica

Ionisatie - het proces waarbij een neutraal atoom wordt omgezet in een positief of negatief ion.

Bij het afbreken van een groot gat in een gasdiëlektricum volgen verschillende fasen elkaar op:

1. Een vrij elektron verschijnt in de gasspleet als gevolg van foto-ionisatie van een gasmolecuul, rechtstreeks van een metalen elektrode of per ongeluk.

2. Het vrije elektron dat in de opening verschijnt, wordt versneld door het elektrische veld, de energie van het elektron neemt toe en wordt uiteindelijk voldoende om een ​​neutraal atoom te ioniseren bij botsing ermee. Dat wil zeggen, er vindt impactionisatie plaats.

3. Als gevolg van vele impactionisatie-acties vormt en ontwikkelt zich een elektronenlawine.

4. Er wordt een streamer gevormd - een plasmakanaal gevormd door positieve ionen die achterblijven na de passage van een lawine van elektronen, en negatieve, die nu in het positief geladen plasma worden getrokken.

5. Capacitieve stroom door de streamer veroorzaakt thermische ionisatie en de streamer wordt geleidend.

6. Wanneer de ontladingsspleet wordt afgesloten door het ontladingskanaal, vindt de hoofdontlading plaats.

Als de ontladingsspleet klein genoeg is, kan het afbraakproces al eindigen in het stadium van lawine-afbraak of in het stadium van streamervorming - in het stadium van de vonk.

De elektrische sterkte van gassen wordt bepaald door:

• Afstand tussen elektroden;

• Druk in het te boren gas;

• De affiniteit van gasmoleculen voor een elektron, de elektronegativiteit van een gas.

De drukrelatie wordt als volgt uitgelegd. Naarmate de druk in het gas toeneemt, nemen de afstanden tussen de moleculen af. Tijdens de versnelling moet het elektron dezelfde energie krijgen met een veel kortere vrije weg, wat voldoende is om een ​​atoom te ioniseren.

Deze energie wordt bepaald door de snelheid van het elektron tijdens de botsing, en de snelheid ontwikkelt zich als gevolg van de versnelling van de kracht die vanuit het elektrische veld op het elektron inwerkt, dat wil zeggen vanwege zijn sterkte.

De Paschen-curve toont de afhankelijkheid van de doorslagspanning Upr in gas van het product van de afstand tussen de elektroden en de druk - p * h. Voor lucht bij p * h = 0,7 Pascal * meter is de doorslagspanning bijvoorbeeld ongeveer 330 volt. De toename van de doorslagspanning links van deze waarde is te wijten aan het feit dat de kans dat een elektron in botsing komt met een gasmolecuul afneemt.

Elektronaffiniteit is het vermogen van sommige neutrale moleculen en gasatomen om extra elektronen aan zichzelf te hechten en negatieve ionen te worden. In gassen met atomen met een hoge elektronenaffiniteit, hebben de elektronen in elektronegatieve gassen een grote versnellende energie nodig om een ​​lawine te vormen.

Het is bekend dat onder normale omstandigheden, dat wil zeggen bij normale temperatuur en druk, de diëlektrische sterkte van lucht in een opening van 1 cm ongeveer 3000 V / mm is, maar bij een druk van 0,3 MPa (3 keer meer dan normaal) diëlektrische sterkte van dezelfde lucht wordt bijna 10.000 V / mm. Voor SF6-gas, een elektronegatief gas, is de diëlektrische sterkte onder normale omstandigheden ongeveer 8700 V/mm. En bij een druk van 0,3 MPa bereikt het 20.000 V / mm.

Diëlektrische sterkte van vloeibare diëlektrica

Wat betreft vloeibare diëlektrica, hun diëlektrische sterkte is niet direct gerelateerd aan hun chemische structuur. En het belangrijkste dat het mechanisme van verval in een vloeistof beïnvloedt, is de zeer nauwe, vergeleken met een gas, opstelling van zijn moleculen. Impactionisatie, kenmerkend voor gassen, is onmogelijk in een vloeibaar diëlektricum.

De impactionisatie-energie is ongeveer 5 eV, en als we deze energie uitdrukken als het product van de elektrische veldsterkte, de elektronenlading en het gemiddelde vrije pad, dat ongeveer 500 nanometer is, en dan de diëlektrische sterkte daaruit berekenen, we krijg 10.000.000 V/mm, en de werkelijke elektrische sterkte voor vloeistoffen varieert van 20.000 tot 40.000 V/mm.

De diëlektrische sterkte van vloeistoffen hangt eigenlijk af van de hoeveelheid gas in die vloeistoffen. Ook hangt de diëlektrische sterkte af van de toestand van de elektrode-oppervlakken waarop de spanning wordt aangelegd. De afbraak tot een vloeistof begint met de afbraak van kleine gasbelletjes.

Het gas heeft een veel lagere diëlektrische constante, waardoor de spanning in de bel hoger blijkt te zijn dan in de omringende vloeistof. In dit geval is de diëlektrische sterkte van het gas lager. Bellenontladingen leiden tot bellengroei en uiteindelijk treedt het uiteenvallen van vloeistof op als gevolg van gedeeltelijke ontladingen in de bellen.

Onzuiverheden spelen een belangrijke rol in het doorslagontwikkelingsmechanisme in vloeibare diëlektrica. Denk bijvoorbeeld aan transformatorolie. Roet en water als geleidende onzuiverheden verminderen de diëlektrische sterkte transformator olie.

Hoewel water zich gewoonlijk niet vermengt met olie, vormen de kleinste druppeltjes in de olie onder invloed van een elektrisch veld polarisatie, vormen circuits met een verhoogde elektrische geleidbaarheid in vergelijking met de omringende olie, en als gevolg daarvan treedt olieafbraak op langs het circuit.

Om de diëlektrische sterkte van vloeistoffen in laboratoriumomstandigheden te bepalen, worden halfronde elektroden gebruikt, waarvan de straal meerdere malen groter is dan de afstand ertussen. Er ontstaat een uniform elektrisch veld in de opening tussen de elektroden. Een typische afstand is 2,5 mm.

Voor transformatorolie mag de doorslagspanning niet lager zijn dan 50.000 volt, en de beste monsters verschillen in de waarde van de doorslagspanning van 80.000 volt. Bedenk tegelijkertijd dat deze spanning in de impactionisatietheorie 2.000.000 - 3.000.000 volt had moeten zijn.

Dus om de diëlektrische sterkte van een vloeibaar diëlektricum te vergroten, is het noodzakelijk:

• Reinig de vloeistof van vaste geleidende deeltjes zoals steenkool, roet, enz.;

• Verwijder het water uit de diëlektrische vloeistof;

• Desinfecteer de vloeistof (evacueer);

• Verhoog de vloeistofdruk.

Diëlektrische sterkte van vaste diëlektrica

De diëlektrische sterkte van vaste diëlektrica is gerelateerd aan de tijd gedurende welke de doorslagspanning wordt toegepast. En afhankelijk van het tijdstip waarop de spanning op het diëlektricum wordt aangelegd en van de fysieke processen die op dat moment plaatsvinden, onderscheiden ze:

• Elektrische storing die optreedt in fracties van seconden nadat de spanning is aangebracht;

• Thermische ineenstorting die optreedt in seconden of zelfs uren;

• Afbraak als gevolg van gedeeltelijke ontladingen, blootstellingstijd kan meer dan een jaar bedragen.

Het mechanisme van de afbraak van een vast diëlektricum bestaat uit de vernietiging van chemische bindingen in een stof onder invloed van een aangelegde spanning, met de transformatie van de stof in een plasma. Dat wil zeggen, we kunnen praten over de evenredigheid tussen de elektrische sterkte van een vast diëlektricum en de energie van zijn chemische bindingen.

Vaste diëlektrica overtreffen vaak de diëlektrische sterkte van vloeistoffen en gassen. Isolatieglas heeft bijvoorbeeld een elektrische sterkte van ongeveer 70.000 V/mm, polyvinylchloride - 40.000 V/mm en polyethyleen - 30.000 V/mm.

De oorzaak van thermische storing ligt in de verwarming van het diëlektricum als gevolg van diëlektrisch verlieswanneer de energie van het vermogensverlies groter is dan de energie die door het diëlektricum wordt verwijderd.

Naarmate de temperatuur stijgt, neemt het aantal dragers toe, neemt de geleidbaarheid toe, neemt de verlieshoek toe, en daarom neemt de temperatuur nog meer toe en neemt de diëlektrische sterkte af. Als gevolg hiervan treedt, als gevolg van de verwarming van het diëlektricum, de resulterende storing op bij een lagere spanning dan zonder verwarming, dat wil zeggen als de storing puur elektrisch was.