Zanim zajmiemy się mechanizmami rozpadu dielektryków, spróbujmy poznać cechy tych materiałów. Materiały elektroizolacyjne to substancje, które pozwalają izolować części sprzętu elektrycznego lub elementy obwodów, które mają różne potencjały elektryczne.
Cechy materiałów
W porównaniu z materiałami przewodzącymi, izolatory mają znacznie wyższą rezystancję elektryczną. Typową właściwością tych materiałów jest tworzenie silnych pól elektrycznych, a także akumulacja energii. Ta właściwość jest szeroko stosowana w kondensatorach.
Klasyfikacja
W zależności od stanu skupienia wszystkie materiały elektroizolacyjne są podzielone na ciecze, gazy i ciała stałe. Największa jest ostatnia grupa dielektryków. Należą do nich tworzywa sztuczne, ceramika, materiały wysokopolimerowe.
W zależności od składu chemicznego materiały elektroizolacyjne dzielą się na nieorganiczne i organiczne.
Węgiel działa jako główny pierwiastek chemiczny w izolatorach organicznych. Maksymalne temperatury wytrzymująmateriały nieorganiczne: ceramika, mika.
W zależności od metody otrzymywania dielektryków zwyczajowo dzieli się je na syntetyczne i naturalne (naturalne). Każdy typ ma pewne cechy. Obecnie substancje syntetyczne stanowią dużą grupę.
Stałe materiały dielektryczne są dalej podzielone na osobne podkategorie zgodnie ze strukturą, składem, właściwościami technologicznymi materiałów. Na przykład istnieją izolatory woskowe, ceramiczne, mineralne, foliowe.
Wszystkie te materiały charakteryzują się przewodnością elektryczną. Z biegiem czasu takie substancje wykazują zmianę wartości prądu ze względu na spadek prądu absorpcji. Od pewnego momentu w materiale elektroizolacyjnym występuje tylko prąd przewodzący, od którego wartości zależą właściwości tego materiału.
Funkcje procesu
Jeżeli natężenie pola elektrycznego jest większe niż limit natężenia elektrycznego, następuje przebicie dielektryczne. To jest proces jego niszczenia. Prowadzi to do utraty w miejscu przebicia przez taki materiał jego początkowych właściwości izolacyjności elektrycznej.
Napięcie przebicia to wartość, przy której następuje przebicie dielektryka.
Wytrzymałość dielektryczna charakteryzuje się wartością natężenia pola.
Rozpad stałych dielektryków jest procesem elektrycznym lub termicznym. Opiera się na zjawiskach, które prowadzą do lawinowego wzrostu wartości stałych materiałów izolacyjnychprąd elektryczny.
Rozpad stałych dielektryków ma charakterystyczne cechy:
- brak lub słaba zależność od temperatury i napięcia wartości przewodności;
- wytrzymałość elektryczna materiału w jednolitym polu, niezależnie od grubości użytego materiału dielektrycznego;
- wąskie granice wytrzymałości mechanicznej;
- po pierwsze, prąd rośnie wykładniczo, a awariom stałych dielektryków towarzyszy nagły wzrost prądu;
- w niejednorodnym polu proces ten zachodzi w miejscu o maksymalnym natężeniu pola.
Awaria cieplna
Pojawia się, gdy występują duże straty dielektryczne, gdy materiał jest ogrzewany innymi źródłami ciepła, gdy energia cieplna jest słabo odprowadzana. Takiemu rozpadowi dielektryka towarzyszy wzrost prądu elektrycznego w wyniku gwałtownego spadku rezystancji w obszarze, w którym zaburzone jest przewodnictwo cieplne. Podobny proces obserwuje się aż do całkowitego zniszczenia termicznego dielektryka w osłabionym miejscu. Na przykład oryginalny, stały materiał izolujący elektrycznie stopi się.
Znaki
Przebicie dielektryczne ma charakterystyczne cechy:
- występuje w miejscu złej jakości odprowadzania ciepła do otoczenia;
- napięcie przebicia spada wraz ze wzrostem temperatury otoczenia;
- wytrzymałość elektryczna jest odwrotnie proporcjonalna do grubości dielektrykawarstwa.
Charakterystyka ogólna
Scharakteryzujmy główne rodzaje przebicia dielektryków. Istota procesu polega na utracie przez materiał elektroizolacyjny swoich właściwości przy przekroczeniu krytycznej wartości natężenia pola elektrycznego. Istnieje kilka rodzajów tego procesu:
- przebicie elektryczne dielektryka;
- proces termiczny;
- starzenie elektrochemiczne.
Wariant elektryczny występuje w wyniku jonizacji uderzeniowej przez elektrony ujemne, pojawiające się w silnym polu elektrycznym. Procesowi temu towarzyszy gwałtowny wzrost gęstości prądu.
Przyczyną procesu cieplnego w izolatorze jest wzrost ilości ciepła generowanego przez system w wyniku przewodnictwa elektrycznego lub w wyniku strat dielektrycznych. Skutkiem takiego przebicia jest termiczne zniszczenie materiału elektroizolacyjnego.
Gdy zmienia się napięcie przebicia dielektryków, w strukturze materiału elektroizolacyjnego zachodzą przemiany, a także zmienia się skład chemiczny dielektryka. W efekcie obserwuje się nieodwracalny spadek rezystancji izolacji. W takim przypadku następuje starzenie elektryczne dielektryka.
W środowisku gazowym
Jak następuje rozkład dielektryków gazowych? Ze względu na promieniowanie kosmiczne i radioaktywne w szczelinach powietrznych znajduje się niewielka liczba naładowanych cząstek. W polu następuje przyspieszenie elektronów ujemnych, w wyniku czego uzyskują one dodatkową energię, której wartość bezpośrednio zależy od natężenia pola iśrednia długość drogi cząstki przed zderzeniem. Przy znacznej wartości natężenia obserwuje się wzrost przepływu elektronów, co powoduje załamanie się szczeliny. Na ten proces wpływa kilka czynników. Najważniejszą z nich jest opcja pola. Istnieje bezpośredni związek między wytrzymałością elektryczną gazu a ciśnieniem i temperaturą.
Środek płynny
Rozpad ciekłych dielektryków jest związany z czystością materiału izolacji elektrycznej. Istnieją trzy stopnie:
- zawartość stałych zanieczyszczeń mechanicznych i wody emulsyjnej w dielektryku;
- czysto technicznie;
- dokładnie oczyszczone i odgazowane.
W starannie oczyszczonych ciekłych dielektrykach występuje tylko elektryczna wersja awarii. Ze względu na znaczną różnicę gęstości cieczy i gazu zmniejsza się długość drogi elektronu, co prowadzi do wzrostu napięcia przebicia.
W nowoczesnej elektroenergetyce stosowane są technicznie czyste rodzaje dielektryków ciekłych, dopuszczalna jest jedynie niewielka obecność w nich zanieczyszczeń.
Należy wziąć pod uwagę, że nawet minimalna ilość wody emulsyjnej w płynnym materiale elektroizolacyjnym powoduje silne zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej.
Zatem wytrzymałość dielektryczna i przebicie dielektryków są wielkościami powiązanymi. Rozważmy mechanizm rozpadu w ciekłym medium. Krople wody emulsyjnej są spolaryzowane w polu elektrycznym, następnie wpadają w przestrzeń pomiędzy elektrodami polarnymi. Tutaj ulegają deformacji, scalaniu i formują się mosty,z małą opornością elektryczną. To na nich odbywa się test. Pojawienie się mostków powoduje znaczne obniżenie wytrzymałości oleju.
Cechy materiałów elektroizolacyjnych
Rozważane rodzaje przebicia dielektryków stałych znalazły zastosowanie we współczesnej elektrotechnice.
Wśród ciekłych i półpłynnych materiałów dielektrycznych stosowanych obecnie w technologii, oleje transformatorowe i kondensatorowe, a także płyny syntetyczne: sovtol, sovol.
Oleje mineralne są otrzymywane z destylacji frakcyjnej ropy naftowej. Pomiędzy ich poszczególnymi typami występują różnice w lepkości, właściwościach elektrycznych.
Na przykład oleje do kabli i kondensatorów są wysoce rafinowane, dzięki czemu mają doskonałe właściwości dielektryczne. Niepalne ciecze syntetyczne to sovtol i sovol. Aby otrzymać pierwszy, przeprowadza się reakcję chlorowania krystalicznego difenylu. Ta przezroczysta lepka ciecz jest toksyczna i może podrażniać błonę śluzową, dlatego podczas pracy z takim dielektrykiem należy dokładnie przestrzegać środków ostrożności.
Sovtol jest mieszaniną trichlorobenzenu i sovolu, dlatego ten materiał elektroizolacyjny charakteryzuje się niższą lepkością.
Oba płyny syntetyczne są używane do impregnacji nowoczesnych kondensatorów papierowych instalowanych w przemysłowych urządzeniach AC i DC.
Organicznewysokopolimerowe materiały dielektryczne składają się z wielu cząsteczek monomeru. Bursztyn, kauczuk naturalny, ma wysokie właściwości dielektryczne.
Materiały woskowe, takie jak cerezyna i parafina, mają wyraźną temperaturę topnienia. Takie dielektryki mają strukturę polikrystaliczną.
W nowoczesnej elektrotechnice istnieje zapotrzebowanie na tworzywa sztuczne, które są materiałami kompozytowymi. Zawierają polimery, żywice, barwniki, stabilizatory, a także składniki uplastyczniające. Zgodnie z ich stosunkiem do ciepła, są one klasyfikowane jako materiały termoplastyczne i termoutwardzalne.
Do pracy w powietrzu używana jest tektura elektryczna, która ma gęstszą strukturę w porównaniu z konwencjonalnym materiałem.
Wśród warstwowych materiałów elektroizolacyjnych o właściwościach dielektrycznych wyróżniamy tekstolit, getinaki, włókno szklane. Laminaty te, w których jako spoiwo wykorzystują żywice silikonowe lub rezolowe, są doskonałymi dielektrykami.
Przyczyny zjawiska
Istnieją różne przyczyny awarii dielektryków. Dlatego wciąż nie ma uniwersalnej teorii, która w pełni wyjaśniałaby ten fizyczny proces. Niezależnie od opcji izolacji, w przypadku awarii powstaje kanał o specjalnej przewodności, którego wielkość prowadzi do zwarcia w tym urządzeniu elektrycznym. Jakie są konsekwencje takiego procesu? Istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia sytuacji awaryjnej, w wyniku którejurządzenie elektryczne zostanie wyłączone z eksploatacji.
W zależności od systemu izolacji, awaria może mieć różne objawy. W przypadku dielektryków stałych kanał zachowuje znaczną przewodność nawet po wyłączeniu prądu. Gazowe i ciekłe materiały elektroizolacyjne charakteryzują się dużą ruchliwością naładowanych elektronów. W związku z tym następuje natychmiastowe przywrócenie kanału przebicia z powodu zmiany napięcia.
W cieczach awaria jest spowodowana różnymi procesami. Najpierw w przestrzeni między elektrodami powstają niejednorodności optyczne, w tych miejscach ciecz traci swoją przezroczystość. Teoria A. Gemanta traktuje rozpad ciekłego dielektryka jako emulsję. Według obliczeń przeprowadzonych przez naukowców, w wyniku działania pola elektrycznego krople wilgoci przybierają postać wydłużonego dipola. W przypadku dużego natężenia pola łączą się, co przyczynia się do wyładowania w utworzonym kanale.
Podczas przeprowadzania licznych eksperymentów stwierdzono, że jeśli w cieczy znajduje się gaz, to przy gwałtownym wzroście napięcia przed rozpadem pojawią się bąbelki. Jednocześnie napięcie przebicia takich cieczy spada wraz ze spadkiem ciśnienia lub ze wzrostem temperatury.
Wniosek
Nowoczesne materiały dielektryczne ulegają poprawie wraz z rozwojem przemysłu elektrycznego. Obecnie technologia wytwarzania różnego rodzaju dielektryków została na tyle unowocześniona, że możliwe jest tworzenie niedrogich dielektryków o wysokich parametrach.
WśródNajbardziej poszukiwane materiały o odpowiednich właściwościach są szczególnie interesujące dla szkła i emalii szklanych. Instalacyjne, alkaliczne, lampowe, kondensatorowe, inne rodzaje tego materiału to substancje o strukturze amorficznej. Po dodaniu do mieszaniny tlenków wapnia i glinu możliwe jest polepszenie właściwości dielektrycznych materiału i zmniejszenie prawdopodobieństwa rozpadu.
Szkło to materiały, w których cienka warstwa szkła osadza się na powierzchni metalu. Technologia ta zapewnia niezawodną ochronę przed korozją.
Wszystkie materiały o właściwościach elektroizolacyjnych są szeroko stosowane w nowoczesnej technologii. Jeśli awariom dielektryka zapobiegnie się na czas, całkiem możliwe jest zapobieżenie uszkodzeniom drogiego sprzętu.
