Rigidesa dielèctrica

La rigidesa dielèctrica determina la capacitat d'un dielèctric de suportar una tensió elèctrica que se li aplica. Per tant, la força elèctrica del dielèctric s'entén com el valor mitjà de la intensitat del camp elèctric Epr en què es produeix una avaria elèctrica en el dielèctric.

La ruptura elèctrica d'un dielèctric és un fenomen d'augment brusc de la conductivitat elèctrica d'un material determinat sota l'acció d'una tensió aplicada a ell, amb la posterior formació d'un canal de plasma conductor.

Una avaria elèctrica en líquids o gasos també s'anomena descàrrega elèctrica. De fet, es forma aquesta descàrrega corrent de descàrrega del condensadorformat per elèctrodes als quals s'aplica una tensió de ruptura.

En aquest context, la tensió de ruptura Upr és la tensió a la qual comença la ruptura elèctrica i, per tant, la rigidesa dielèctrica es pot trobar mitjançant la fórmula següent (on h és el gruix de la mostra a descompondre):

Epr = UNC/h

Òbviament, la tensió de ruptura en qualsevol cas particular està relacionada amb la rigidesa dielèctrica del dielèctric considerat i depèn del gruix de l'espai entre els elèctrodes.En conseqüència, a mesura que augmenta la bretxa entre els elèctrodes, també augmenta el valor de la tensió de ruptura. En els dielèctrics líquids i gasosos, el desenvolupament de la descàrrega durant la ruptura es produeix de diferents maneres.

Rigidesa dielèctrica dels dielèctrics gasosos

Ionització: procés de convertir un àtom neutre en un ió positiu o negatiu.

En el procés de trencar un gran buit en un gas dielèctric, se succeeixen diverses etapes una darrere de l'altra:

1. A la bretxa de gas apareix un electró lliure com a resultat de la fotoionització d'una molècula de gas, directament des d'un elèctrode metàl·lic o accidentalment.

2. L'electró lliure que apareix al buit és accelerat pel camp elèctric, l'energia de l'electró augmenta i, finalment, esdevé suficient per ionitzar un àtom neutre en xocar amb ell. És a dir, es produeix la ionització per impacte.

3. Com a resultat de moltes accions d'ionització d'impacte, es forma i es desenvolupa una allau d'electrons.

4. Es forma un streamer: un canal de plasma format per ions positius que queden després del pas d'una allau d'electrons, i negatius, que ara s'atrauen al plasma carregat positivament.

5. El corrent capacitiu a través del streamer provoca ionització tèrmica i el streamer esdevé conductor.

6. Quan el buit de descàrrega es tanca pel canal de descàrrega, es produeix la descàrrega principal.

Si la bretxa de descàrrega és prou petita, el procés de ruptura ja pot acabar en l'etapa de ruptura d'allau o en l'etapa de formació de serpentina, a l'etapa de l'espurna.

La força elèctrica dels gasos ve determinada per:

• Distància entre elèctrodes;

• Pressió en el gas a perforar;

• L'afinitat de les molècules de gas per un electró, l'electronegativitat d'un gas.

La relació de pressió s'explica de la següent manera. A mesura que augmenta la pressió del gas, les distàncies entre les seves molècules disminueixen. Durant l'acceleració, l'electró ha d'adquirir la mateixa energia amb un camí lliure molt més curt, que és suficient per ionitzar un àtom.

Aquesta energia ve determinada per la velocitat de l'electró durant la col·lisió, i la velocitat es desenvolupa a causa de l'acceleració de la força que actua sobre l'electró des del camp elèctric, és a dir, per la seva força.

La corba de Paschen mostra la dependència de la tensió de ruptura Upr en el gas del producte de la distància entre els elèctrodes i la pressió — p * h. Per exemple, per a l'aire a p * h = 0,7 Pascal * metre, la tensió de ruptura és d'uns 330 volts. L'augment de la tensió de ruptura a l'esquerra d'aquest valor es deu al fet que disminueix la probabilitat que un electró xoqui amb una molècula de gas.

L'afinitat electrònica és la capacitat d'algunes molècules neutres i àtoms de gas d'unir-se electrons addicionals i convertir-se en ions negatius. En gasos amb àtoms d'alta afinitat electrònica, en gasos electronegatius els electrons necessiten una gran energia acceleradora per formar una allau.

Se sap que en condicions normals, és a dir, a temperatura i pressió normals, la rigidesa dielèctrica de l'aire en un buit d'1 cm és d'aproximadament 3000 V/mm, però a una pressió de 0,3 MPa (3 vegades més de l'habitual) La rigidesa dielèctrica del mateix aire s'aproxima als 10.000 V/mm. Per al gas SF6, un gas electronegatiu, la rigidesa dielèctrica en condicions normals és d'aproximadament 8700 V/mm. I a una pressió de 0,3 MPa, arriba als 20.000 V / mm.

Rigidesa dielèctrica dels dielèctrics líquids

Pel que fa als dielèctrics líquids, la seva rigidesa dielèctrica no està directament relacionada amb la seva estructura química. I el principal que afecta el mecanisme de desintegració en un líquid és la disposició molt propera, en comparació amb un gas, de les seves molècules. La ionització per impacte, característica dels gasos, és impossible en un dielèctric líquid.

L'energia d'ionització d'impacte és d'aproximadament 5 eV, i si expressem aquesta energia com el producte de la força del camp elèctric, la càrrega d'electrons i el camí lliure mitjà, que és d'uns 500 nanòmetres, i després calculem la força dielèctrica a partir d'això, obteniu 10.000.000 V/mm, i la força elèctrica real dels líquids oscil·la entre 20.000 i 40.000 V/mm.

La rigidesa dielèctrica dels líquids depèn en realitat de la quantitat de gas en aquests líquids. A més, la rigidesa dielèctrica depèn de l'estat de les superfícies dels elèctrodes a les quals s'aplica la tensió. La descomposició en un líquid comença amb la descomposició de petites bombolles de gas.

El gas té una constant dielèctrica molt més baixa, de manera que el voltatge a la bombolla resulta més gran que al líquid circumdant. En aquest cas, la rigidesa dielèctrica del gas és menor. Les descàrregues de bombolles condueixen al creixement de les bombolles i, finalment, es produeix la ruptura del líquid com a resultat de les descàrregues parcials a les bombolles.

Les impureses tenen un paper important en el mecanisme de desenvolupament de descomposició en dielèctrics líquids. Penseu, per exemple, en l'oli del transformador. El sutge i l'aigua com a impureses conductores redueixen la rigidesa dielèctrica oli del transformador.

Tot i que l'aigua normalment no es barreja amb l'oli, les seves gotes més petites a l'oli sota l'acció d'un camp elèctric es polaritzan, formen circuits amb una conductivitat elèctrica augmentada en comparació amb l'oli circumdant i, com a resultat, es produeix una ruptura de l'oli al llarg del circuit.

Per determinar la rigidesa dielèctrica dels líquids en condicions de laboratori, s'utilitzen elèctrodes hemisfèrics, el radi dels quals és diverses vegades més gran que la distància entre ells. Es crea un camp elèctric uniforme a l'espai entre els elèctrodes. Una distància típica és de 2,5 mm.

Per a l'oli del transformador, la tensió de ruptura no ha de ser inferior a 50.000 volts i les seves millors mostres difereixen en el valor de tensió de ruptura de 80.000 volts. Al mateix temps, recordeu que en la teoria de la ionització per impacte aquesta tensió hauria d'haver estat de 2.000.000 — 3.000.000 de volts.

Per tant, per augmentar la rigidesa dielèctrica d'un dielèctric líquid, cal:

• Netegeu el líquid de partícules sòlides conductores com ara carbó, sutge, etc.;

• Traieu l'aigua del fluid dielèctric;

• Desinfectar el líquid (evacuar);

• Augmentar la pressió del fluid.

Rigidesa dielèctrica dels dielèctrics sòlids

La rigidesa dielèctrica dels dielèctrics sòlids està relacionada amb el temps durant el qual s'aplica la tensió de ruptura. I en funció del moment en què s'aplica la tensió al dielèctric, i dels processos físics que es produeixen en aquest moment, distingeixen:

• Falla elèctrica que es produeix en fraccions de segons després d'aplicar la tensió;

• Col·lapse tèrmic que es produeix en segons o fins i tot hores;

• Avaria per descàrregues parcials, el temps d'exposició pot ser superior a un any.

El mecanisme de ruptura d'un dielèctric sòlid consisteix en la destrucció dels enllaços químics d'una substància sota l'acció d'una tensió aplicada, amb la transformació de la substància en un plasma. És a dir, podem parlar de la proporcionalitat entre la força elèctrica d'un dielèctric sòlid i l'energia dels seus enllaços químics.

Els dielèctrics sòlids sovint superen la rigidesa dielèctrica de líquids i gasos, per exemple, el vidre aïllant té una resistència elèctrica d'uns 70.000 V/mm, el clorur de polivinil - 40.000 V/mm i el polietilè - 30.000 V/mm.

La causa de la ruptura tèrmica rau en l'escalfament del dielèctric a causa de pèrdua dielèctricaquan l'energia de pèrdua de potència supera l'energia eliminada pel dielèctric.

A mesura que augmenta la temperatura, augmenta el nombre de portadors, augmenta la conductivitat, augmenta l'angle de pèrdua i, per tant, la temperatura augmenta encara més i la rigidesa dielèctrica disminueix. Com a resultat, a causa de l'escalfament del dielèctric, la fallada resultant es produeix a una tensió més baixa que sense calefacció, és a dir, si la fallada era purament elèctrica.