Rigidità dielettrica

La rigidità dielettrica determina la capacità di un dielettrico di resistere a una tensione elettrica ad esso applicata. Quindi, la resistenza elettrica del dielettrico è intesa come il valore medio dell'intensità del campo elettrico Epr al quale si verifica un guasto elettrico nel dielettrico.

La rottura elettrica di un dielettrico è un fenomeno di forte aumento della conduttività elettrica di un dato materiale sotto l'azione di una tensione ad esso applicata, con la successiva formazione di un canale di plasma conduttivo.

Un guasto elettrico in liquidi o gas è anche chiamato scarica elettrica. In effetti, si forma una tale scarica corrente di scarica del condensatoreformato da elettrodi ai quali è applicata una tensione di rottura.

In questo contesto, la tensione di rottura Upr è la tensione alla quale inizia la rottura elettrica, e quindi la rigidità dielettrica può essere trovata utilizzando la seguente formula (dove h è lo spessore del campione da rompere):

Epr = UNC/h

Ovviamente, la tensione di rottura in ogni caso particolare è correlata alla rigidità dielettrica del dielettrico considerato e dipende dallo spessore dell'intercapedine tra gli elettrodi.Di conseguenza, all'aumentare della distanza tra gli elettrodi, aumenta anche il valore della tensione di rottura. Nei dielettrici liquidi e gassosi, lo sviluppo della scarica durante la rottura avviene in modi diversi.

Rigidità dielettrica dei dielettrici gassosi

Ionizzazione: il processo di conversione di un atomo neutro in uno ione positivo o negativo.

Nel processo di abbattimento di un ampio spazio vuoto in un dielettrico gassoso, si susseguono diverse fasi:

1. Un elettrone libero appare nel gas gap come risultato della fotoionizzazione di una molecola di gas, direttamente da un elettrodo metallico o accidentalmente.

2. L'elettrone libero che appare nello spazio è accelerato dal campo elettrico, l'energia dell'elettrone aumenta e alla fine diventa sufficiente per ionizzare un atomo neutro in caso di collisione con esso. Cioè, si verifica la ionizzazione dell'impatto.

3. Come risultato di molte azioni di ionizzazione da impatto, si forma e si sviluppa una valanga di elettroni.

4. Si forma uno streamer — un canale plasmatico formato da ioni positivi rimasti dopo il passaggio di una valanga di elettroni, e da quelli negativi, che vengono ora trascinati nel plasma caricato positivamente.

5. La corrente capacitiva attraverso lo streamer provoca la ionizzazione termica e lo streamer diventa conduttivo.

6. Quando lo spazio di scarico viene chiuso dal canale di scarico, si verifica lo scarico principale.

Se il divario di scarica è abbastanza piccolo, il processo di rottura può terminare già nella fase di rottura della valanga o nella fase di formazione dello streamer, nella fase della scintilla.

La forza elettrica dei gas è determinata da:

• Distanza tra gli elettrodi;

• Pressione nel gas da perforare;

• L'affinità delle molecole di gas per un elettrone, l'elettronegatività di un gas.

La relazione di pressione è spiegata come segue. All'aumentare della pressione nel gas, le distanze tra le sue molecole diminuiscono. Durante l'accelerazione, l'elettrone deve acquisire la stessa energia con un percorso libero molto più breve, sufficiente per ionizzare un atomo.

Questa energia è determinata dalla velocità dell'elettrone durante la collisione e la velocità si sviluppa a causa dell'accelerazione della forza che agisce sull'elettrone dal campo elettrico, cioè a causa della sua forza.

La curva di Paschen mostra la dipendenza della tensione di rottura Upr nel gas dal prodotto della distanza tra gli elettrodi e la pressione — p * h. Ad esempio, per aria a p * h = 0,7 Pascal * metro, la tensione di rottura è di circa 330 volt. L'aumento della tensione di rottura a sinistra di questo valore è dovuto al fatto che diminuisce la probabilità che un elettrone collida con una molecola di gas.

L'affinità elettronica è la capacità di alcune molecole neutre e atomi di gas di attaccare elettroni aggiuntivi a se stessi e diventare ioni negativi. Nei gas con atomi ad alta affinità elettronica, nei gas elettronegativi gli elettroni necessitano di una grande energia di accelerazione per formare una valanga.

È noto che in condizioni normali, cioè a temperatura e pressione normali, la rigidità dielettrica dell'aria in uno spazio di 1 cm è di circa 3000 V / mm, ma a una pressione di 0,3 MPa (3 volte superiore al normale) il la rigidità dielettrica della stessa aria si avvicina a 10.000 V / mm. Per il gas SF6, un gas elettronegativo, la rigidità dielettrica in condizioni normali è di circa 8700 V/mm. E a una pressione di 0,3 MPa raggiunge i 20.000 V/mm.

Rigidità dielettrica dei dielettrici liquidi

Per quanto riguarda i dielettrici liquidi, la loro rigidità dielettrica non è direttamente correlata alla loro struttura chimica. E la cosa principale che influenza il meccanismo di decadimento in un liquido è la disposizione molto vicina, rispetto a un gas, delle sue molecole. La ionizzazione da impatto, caratteristica dei gas, è impossibile in un dielettrico liquido.

L'energia di ionizzazione dell'impatto è di circa 5 eV, e se esprimiamo questa energia come il prodotto dell'intensità del campo elettrico, la carica dell'elettrone e il percorso libero medio, che è di circa 500 nanometri, e poi calcoliamo la rigidità dielettrica da questo, noi si ottengono 10.000.000 V/mm e la forza elettrica reale per i liquidi va da 20.000 a 40.000 V/mm.

La rigidità dielettrica dei liquidi dipende in realtà dalla quantità di gas in quei liquidi. Inoltre, la rigidità dielettrica dipende dalla condizione delle superfici degli elettrodi a cui viene applicata la tensione. La scomposizione in un liquido inizia con la scomposizione di piccole bolle di gas.

Il gas ha una costante dielettrica molto più bassa, quindi la tensione nella bolla risulta essere più alta che nel liquido circostante. In questo caso la rigidità dielettrica del gas è inferiore. Le scariche di bolle portano alla crescita delle bolle e alla fine si verifica la rottura del liquido come risultato di scariche parziali nelle bolle.

Le impurità svolgono un ruolo importante nel meccanismo di sviluppo del guasto nei dielettrici liquidi. Considera, ad esempio, l'olio per trasformatori. La fuliggine e l'acqua come impurità conduttive riducono la rigidità dielettrica olio per trasformatori.

Sebbene l'acqua di solito non si mescoli con l'olio, le sue goccioline più piccole nell'olio si polarizzano sotto l'azione di un campo elettrico, formano circuiti con una maggiore conduttività elettrica rispetto all'olio circostante e, di conseguenza, si verifica la rottura dell'olio lungo il circuito.

Per determinare la rigidità dielettrica dei liquidi in condizioni di laboratorio vengono utilizzati elettrodi emisferici, il cui raggio è molte volte maggiore della distanza tra loro. Nello spazio tra gli elettrodi si crea un campo elettrico uniforme. Una distanza tipica è di 2,5 mm.

Per l'olio del trasformatore, la tensione di rottura non deve essere inferiore a 50.000 volt e i suoi migliori campioni differiscono nel valore della tensione di rottura di 80.000 volt. Allo stesso tempo, ricorda che nella teoria della ionizzazione per impatto questa tensione avrebbe dovuto essere compresa tra 2.000.000 e 3.000.000 di volt.

Quindi, per aumentare la rigidità dielettrica di un dielettrico liquido, è necessario:

• Pulire il liquido da particelle conduttive solide come carbone, fuliggine, ecc.;

• Rimuovere l'acqua dal fluido dielettrico;

• Disinfettare il liquido (evacuare);

• Aumentare la pressione del fluido.

Rigidità dielettrica dei dielettrici solidi

La rigidità dielettrica dei dielettrici solidi è correlata al tempo durante il quale viene applicata la tensione di rottura. E a seconda del momento in cui la tensione viene applicata al dielettrico e dei processi fisici che si verificano in quel momento, distinguono:

• Guasto elettrico che si verifica in frazioni di secondo dopo l'applicazione della tensione;

• Crollo termico che si verifica in secondi o addirittura ore;

• Guasto dovuto a scariche parziali, il tempo di esposizione può essere superiore a un anno.

Il meccanismo della rottura di un dielettrico solido consiste nella distruzione dei legami chimici in una sostanza sotto l'azione di una tensione applicata, con la trasformazione della sostanza in un plasma. Cioè, possiamo parlare della proporzionalità tra la rigidità elettrica di un dielettrico solido e l'energia dei suoi legami chimici.

I dielettrici solidi spesso superano la rigidità dielettrica di liquidi e gas, ad esempio il vetro isolante ha una resistenza elettrica di circa 70.000 V/mm, il cloruro di polivinile - 40.000 V/mm e il polietilene - 30.000 V/mm.

La causa del guasto termico risiede nel riscaldamento del dielettrico dovuto a perdita dielettricaquando l'energia di perdita di potenza supera l'energia rimossa dal dielettrico.

All'aumentare della temperatura, aumenta il numero dei portatori, aumenta la conduttività, aumenta l'angolo di perdita, e quindi la temperatura aumenta ancora di più e la rigidità dielettrica diminuisce. Di conseguenza, a causa del riscaldamento del dielettrico, il guasto risultante si verifica a una tensione inferiore che senza riscaldamento, cioè se il guasto fosse puramente elettrico.