Než se budeme zabývat mechanismy rozpadu dielektrik, pokusme se zjistit vlastnosti těchto materiálů. Elektrické izolační materiály jsou látky, které umožňují izolovat části elektrického zařízení nebo prvky obvodů, které mají různé elektrické potenciály.
Vlastnosti materiálů
V porovnání s vodivými materiály mají izolátory výrazně vyšší elektrický odpor. Typickou vlastností těchto materiálů je vytváření silných elektrických polí a také akumulace energie. Tato vlastnost je široce používána v kondenzátorech.
Klasifikace
Podle stavu agregace se všechny elektroizolační materiály dělí na kapalné, plynné, pevné. Největší je poslední skupina dielektrik. Patří mezi ně plasty, keramika, materiály s vysokým obsahem polymerů.
V závislosti na chemickém složení se elektroizolační materiály dělí na anorganické a organické.
Uhlík působí jako hlavní chemický prvek v organických izolantech. Maximální teploty vydržíanorganické materiály: keramika, slída.
Podle způsobu získávání dielektrik je zvykem je dělit na syntetická a přírodní (přírodní). Každý typ má určité vlastnosti. V současné době jsou syntetické látky velkou skupinou.
Pevné dielektrické materiály se dále dělí do samostatných podkategorií podle struktury, složení, technologických charakteristik materiálů. Například existují voskové, keramické, minerální, filmové izolátory.
Všechny tyto materiály se vyznačují elektrickou vodivostí. V průběhu času takové látky vykazují změnu hodnoty proudu v důsledku poklesu absorpčního proudu. Od určitého okamžiku v elektroizolačním materiálu existuje pouze vodivý proud, na jehož hodnotě závisí vlastnosti tohoto materiálu.
Funkce procesu
Pokud je intenzita elektrického pole větší než mezní hodnota elektrické síly, dojde k dielektrickému průrazu. Toto je proces jeho ničení. To vede ke ztrátě v místě průrazu takovým materiálem jeho původních elektroizolačních charakteristik.
Průrazné napětí je hodnota, při které dojde k dielektrickému průrazu.
Dielektrická pevnost je charakterizována hodnotou intenzity pole.
Rozpad pevných dielektrik je elektrický nebo tepelný proces. Vychází z jevů, které vedou k lavinovému nárůstu hodnotných pevných izolačních materiálůelektrický proud.
Rozpad pevných dielektrik má charakteristické rysy:
- absence nebo slabá závislost na teplotě a napětí hodnoty vodivosti;
- elektrická pevnost materiálu v rovnoměrném poli, bez ohledu na tloušťku použitého dielektrického materiálu;
- úzké limity mechanické pevnosti;
- za prvé, proud roste exponenciálně a poruchy pevných dielektrik jsou doprovázeny náhlým nárůstem proudu;
- v nehomogenním poli k tomuto procesu dochází v místě s maximální intenzitou pole.
Tepelný rozklad
Objevuje se při velkých dielektrických ztrátách, při zahřívání materiálu jinými zdroji tepla, kdy je tepelná energie špatně odváděna. Takové porušení dielektrika je doprovázeno zvýšením elektrického proudu v důsledku prudkého poklesu odporu v oblasti, kde je narušeno vedení tepla. Podobný proces je pozorován, dokud nedojde v oslabeném místě k úplné tepelné destrukci dielektrika. Například původní pevný elektroizolační materiál se roztaví.
Znaky
Dielektrický průraz má charakteristické rysy:
- vyskytuje se v místě nekvalitního odvodu tepla do okolí;
- průrazné napětí klesá s rostoucí okolní teplotou;
- elektrická pevnost je nepřímo úměrná tloušťce dielektrikavrstva.
Obecné vlastnosti
Pojďme charakterizovat hlavní typy průrazu dielektrik. Podstata procesu spočívá ve ztrátě vlastností elektroizolačního materiálu při překročení kritické hodnoty intenzity elektrického pole. Existuje několik typů tohoto procesu:
- elektrický průraz dielektrika;
- tepelný proces;
- elektrochemické stárnutí.
Elektrická varianta vzniká v důsledku dopadové ionizace negativními elektrony, které se objevují v silném elektrickém poli. Tento proces je doprovázen prudkým nárůstem proudové hustoty.
Důvodem tepelného procesu v izolátoru je zvýšení množství tepla generovaného systémem v důsledku účinků elektrické vodivosti nebo v důsledku dielektrických ztrát. Výsledkem takové poruchy je tepelná destrukce elektrického izolačního materiálu.
Když se změní průrazné napětí dielektrik, dochází k transformacím ve struktuře elektroizolačního materiálu a mění se také chemické složení dielektrika. V důsledku toho je pozorován nevratný pokles izolačního odporu. V tomto případě dochází k elektrickému stárnutí dielektrika.
V plynném prostředí
Jak dochází k rozpadu plynných dielektrik? Vlivem kosmického a radioaktivního záření je ve vzduchových mezerách malé množství nabitých částic. V poli dochází ke zrychlení záporných elektronů, v důsledku čehož získávají další energii, jejíž hodnota přímo závisí na síle pole astřední délka dráhy částice před srážkou. Při významné hodnotě intenzity je pozorováno zvýšení toku elektronů, což způsobí porušení mezery. Tento proces je ovlivněn několika faktory. Nejdůležitější z nich je možnost pole. Mezi elektrickou silou plynu a tlakem a teplotou existuje přímý vztah.
Tekuté médium
Rozpad kapalných dielektrik souvisí s čistotou elektroizolačního materiálu. Existují tři stupně:
- obsah pevných mechanických nečistot a emulzní vody v dielektriku;
- technicky čisté;
- důkladně vyčištěno a odplyněno.
U pečlivě vyčištěných tekutých dielektrik existuje pouze elektrická verze poruchy. Kvůli značnému rozdílu v hustotách kapaliny a plynu se délka dráhy elektronů zkracuje, což vede ke zvýšení průrazného napětí.
V moderní elektroenergetice se používají technicky čisté typy kapalných dielektrik, v nichž je povolena pouze nepatrná přítomnost nečistot.
Je třeba vzít v úvahu, že i minimální množství emulzní vody v tekutém elektroizolačním materiálu způsobuje silné snížení elektrické pevnosti.
Dielektrická pevnost a průraz dielektrika jsou tedy související veličiny. Uvažujme mechanismus rozpadu v kapalném médiu. Kapky emulzní vody se polarizují v elektrickém poli, poté dopadají do prostoru mezi polárními elektrodami. Zde se deformují, spojují a tvoří se mosty,s malým elektrickým odporem. Právě na nich probíhá test. Vzhled můstků způsobuje výrazné snížení pevnosti oleje.
Vlastnosti elektroizolačních materiálů
Uvažované typy rozpadu pevných dielektrik našly své uplatnění v moderní elektrotechnice.
Mezi kapalné a polotekuté dielektrické materiály v současnosti používané v technologii transformátorové a kondenzátorové oleje a také syntetické kapaliny: sovtol, sovol.
Minerální oleje se získávají frakční destilací ropy. Mezi jejich jednotlivými typy jsou rozdíly ve viskozitě, elektrických charakteristikách.
Například oleje pro kabely a kondenzátory jsou vysoce rafinované, takže mají vynikající dielektrické vlastnosti. Nehořlavé syntetické kapaliny jsou sovtol a sovol. K získání prvního se provádí chlorační reakce krystalického difenylu. Tato průhledná viskózní kapalina je toxická a může dráždit sliznici, proto je třeba při práci s takovým dielektrikem pečlivě dodržovat bezpečnostní opatření.
Sovtol je směs trichlorbenzenu a sovolu, proto se tento elektroizolační materiál vyznačuje nižší viskozitou.
Obě syntetické kapaliny se používají k impregnaci moderních papírových kondenzátorů instalovaných v průmyslových AC a DC zařízeních.
Biovysokopolymerní dielektrické materiály se skládají z mnoha monomerních molekul. Jantar, přírodní kaučuk, má vysoké dielektrické vlastnosti.
Voskové materiály jako ceresin a parafín mají zřetelný bod tání. Taková dielektrika mají polykrystalickou strukturu.
V moderní elektrotechnice jsou plasty, což jsou kompozitní materiály, žádané. Obsahují polymery, pryskyřice, barviva, stabilizátory a také plastifikační složky. Podle jejich vztahu k teplu se dělí na termoplastické a termosetové materiály.
Pro práci ve vzduchu se používá elektrický karton, který má oproti běžnému materiálu hustší strukturu.
Mezi vrstvenými elektroizolačními materiály s dielektrickými vlastnostmi vyzdvihujeme textolit, getinaky, sklolaminát. Tyto lamináty, které jako pojivo používají silikonové nebo rezolové pryskyřice, jsou vynikajícími dielektriky.
Příčiny jevu
Pro rozpad dielektrik existují různé důvody. Proto stále neexistuje žádná univerzální teorie, která by tento fyzikální proces plně vysvětlila. Bez ohledu na možnost izolace se v případě poruchy vytvoří kanál speciální vodivosti, jehož velikost vede ke zkratu v tomto elektrickém zařízení. Jaké jsou důsledky takového procesu? Existuje vysoká pravděpodobnost mimořádné události, v důsledku čehoželektrické zařízení bude vyřazeno z provozu.
V závislosti na izolačním systému může mít porucha různé projevy. U pevných dielektrik si kanál zachovává významnou vodivost i po vypnutí proudu. Plynné a kapalné elektroizolační materiály se vyznačují vysokou pohyblivostí nabitých elektronů. Proto dochází k okamžitému obnovení průrazného kanálu v důsledku změny napětí.
V kapalinách je rozpad způsoben různými procesy. Nejprve se v prostoru mezi elektrodami vytvoří optické nehomogenity, v těchto místech kapalina ztrácí průhlednost. Teorie A. Gemanta uvažuje rozpad kapalného dielektrika jako emulze. Podle výpočtů provedených vědci mají kapky vlhkosti v důsledku působení elektrického pole podobu protáhlého dipólu. V případě vysoké intenzity pole se spojují, což přispívá k výboji ve vytvořeném kanálu.
Při provádění četných experimentů bylo zjištěno, že pokud je v kapalině plyn, pak s prudkým nárůstem napětí se před rozpadem objeví bubliny. Současně se průrazné napětí takových kapalin snižuje s klesajícím tlakem nebo s rostoucí teplotou.
Závěr
S rozvojem elektrotechnického průmyslu se moderní dielektrické materiály zlepšují. V současné době je technologie pro vytváření různých typů dielektrik natolik modernizovaná, že je možné vytvářet levná dielektrika s vysokým výkonem.
MeziNejžádanější materiály s odpovídajícími vlastnostmi jsou zvláště zajímavé pro sklo a skleněné sm alty. Instalace, alkalické, lampa, kondenzátor, jiné typy tohoto materiálu jsou látky amorfní struktury. Když se do směsi přidají oxidy vápníku a hliníku, je možné zlepšit dielektrické vlastnosti materiálu a snížit pravděpodobnost rozpadu.
Sm altované sklo jsou materiály, u kterých je na kovovém povrchu nanesena tenká vrstva skla. Tato technologie poskytuje spolehlivou ochranu proti korozi.
Všechny materiály s elektroizolačními vlastnostmi jsou široce používány v moderní technologii. Pokud se dielektrickému průrazu zabrání včas, je docela možné zabránit poškození drahého zařízení.
