Skôr ako sa budeme zaoberať mechanizmami rozpadu dielektrík, skúsme zistiť vlastnosti týchto materiálov. Elektrické izolačné materiály sú látky, ktoré umožňujú izolovať časti elektrického zariadenia alebo prvky obvodov, ktoré majú rôzny elektrický potenciál.
Vlastnosti materiálov
V porovnaní s vodivými materiálmi majú izolátory výrazne vyšší elektrický odpor. Typickou vlastnosťou týchto materiálov je vytváranie silných elektrických polí, ako aj akumulácia energie. Táto vlastnosť je široko používaná v kondenzátoroch.
Klasifikácia
Podľa stavu agregácie sa všetky elektroizolačné materiály delia na kvapalné, plynné, tuhé. Najväčšia je posledná skupina dielektrík. Patria sem plasty, keramika, materiály s vysokým obsahom polymérov.
V závislosti od chemického zloženia sa elektroizolačné materiály delia na anorganické a organické.
Uhlík pôsobí ako hlavný chemický prvok v organických izolantoch. Vydržia maximálne teplotyanorganické materiály: keramika, sľuda.
V závislosti od spôsobu získavania dielektrika je zvykom ich deliť na syntetické a prírodné (prírodné). Každý typ má určité vlastnosti. V súčasnosti sú syntetické látky veľkou skupinou.
Pevné dielektrické materiály sa ďalej delia do samostatných podkategórií podľa štruktúry, zloženia, technologických charakteristík materiálov. Napríklad existujú voskové, keramické, minerálne, filmové izolátory.
Všetky tieto materiály sa vyznačujú elektrickou vodivosťou. V priebehu času takéto látky vykazujú zmenu hodnoty prúdu v dôsledku poklesu absorpčného prúdu. Od určitého momentu v elektroizolačnom materiáli existuje iba vodivý prúd, od hodnoty ktorého závisia vlastnosti tohto materiálu.
Funkcie procesu
Ak je sila elektrického poľa väčšia ako limit elektrickej sily, dôjde k dielektrickému prierazu. Toto je proces jeho zničenia. To vedie k strate v mieste prierazu takýmto materiálom jeho počiatočných elektroizolačných vlastností.
Prierazné napätie je hodnota, pri ktorej nastane dielektrický prieraz.
Dielektrická sila je charakterizovaná hodnotou intenzity poľa.
Rozpad pevných dielektrík je elektrický alebo tepelný proces. Je založená na javoch, ktoré vedú k lavínovému nárastu pevných izolačných materiálov hodnotyelektrický prúd.
Rozklad pevných dielektrík má charakteristické črty:
- absencia alebo slabá závislosť od teploty a napätia hodnoty vodivosti;
- elektrická pevnosť materiálu v rovnomernom poli, bez ohľadu na hrúbku použitého dielektrického materiálu;
- úzke limity mechanickej pevnosti;
- po prvé, prúd sa zvyšuje exponenciálne a poruchy pevných dielektrík sú sprevádzané prudkým nárastom prúdu;
- v nehomogénnom poli tento proces prebieha na mieste s maximálnou intenzitou poľa.
Tepelný rozklad
Objavuje sa pri veľkých dielektrických stratách, pri ohrievaní materiálu inými zdrojmi tepla, pri slabom odvode tepelnej energie. Takýto rozpad dielektrika je sprevádzaný zvýšením elektrického prúdu v dôsledku prudkého poklesu odporu v oblasti, kde je narušené vedenie tepla. Podobný proces sa pozoruje až do úplného tepelného zničenia dielektrika v oslabenom mieste. Napríklad pôvodný pevný elektroizolačný materiál sa roztopí.
Znaky
Dielektrický prieraz má charakteristické vlastnosti:
- vyskytuje sa na mieste nekvalitného odvodu tepla do okolia;
- prierazné napätie klesá so zvyšujúcou sa teplotou okolia;
- elektrická pevnosť je nepriamo úmerná hrúbke dielektrikavrstva.
Všeobecné charakteristiky
Poďme charakterizovať hlavné typy rozpadu dielektrika. Podstata procesu spočíva v strate vlastností elektroizolačného materiálu pri prekročení kritickej hodnoty intenzity elektrického poľa. Existuje niekoľko typov tohto procesu:
- elektrický rozpad dielektrika;
- tepelný proces;
- elektrochemické starnutie.
Elektrický variant vzniká v dôsledku nárazovej ionizácie negatívnymi elektrónmi, ktoré sa objavujú v silnom elektrickom poli. Tento proces je sprevádzaný prudkým nárastom prúdovej hustoty.
Dôvodom tepelného procesu v izolátore je zvýšenie množstva tepla generovaného systémom v dôsledku účinkov elektrickej vodivosti alebo v dôsledku dielektrických strát. Výsledkom takéhoto rozpadu je tepelná deštrukcia elektrického izolačného materiálu.
Pri zmene prierazného napätia dielektrika dochádza k transformáciám v štruktúre elektroizolačného materiálu a mení sa aj chemické zloženie dielektrika. V dôsledku toho sa pozoruje nezvratné zníženie izolačného odporu. V tomto prípade dochádza k elektrickému starnutiu dielektrika.
V plynnom prostredí
Ako dochádza k rozpadu plynných dielektrík? Vplyvom kozmického a rádioaktívneho žiarenia je vo vzduchových medzerách malý počet nabitých častíc. V poli dochádza k zrýchleniu negatívnych elektrónov, v dôsledku čoho získavajú dodatočnú energiu, ktorej hodnota priamo závisí od intenzity poľa astredná dĺžka dráhy častice pred zrážkou. Pri významnej hodnote intenzity sa pozoruje zvýšenie toku elektrónov, čo spôsobí rozpad medzery. Tento proces ovplyvňuje viacero faktorov. Najdôležitejšia z nich je možnosť poľa. Existuje priamy vzťah medzi elektrickou silou plynu a tlakom a teplotou.
Tekuté médium
Rozpad kvapalného dielektrika súvisí s čistotou elektrického izolačného materiálu. Existujú tri stupne:
- obsah pevných mechanických nečistôt a emulznej vody v dielektriku;
- technicky čisté;
- dôkladne vyčistené a odplynené.
V starostlivo vyčistených tekutých dielektrikách existuje iba elektrická verzia poruchy. V dôsledku výrazného rozdielu v hustotách kvapaliny a plynu sa dĺžka dráhy elektrónov zmenšuje, čo vedie k zvýšeniu prierazného napätia.
V modernej elektroenergetike sa používajú technicky čisté typy tekutých dielektrík, v ktorých je povolená len nepatrná prítomnosť nečistôt.
Treba vziať do úvahy, že aj minimálne množstvo emulznej vody v tekutom elektroizolačnom materiáli spôsobuje silné zníženie elektrickej pevnosti.
Dielektrická pevnosť a rozpad dielektrika sú teda súvisiace veličiny. Zoberme si mechanizmus rozpadu v kvapalnom médiu. Kvapky emulznej vody sa polarizujú v elektrickom poli, potom dopadajú do priestoru medzi polárne elektródy. Tu sa deformujú, spájajú a vytvárajú sa mosty,s malým elektrickým odporom. Práve na nich prebieha test. Vzhľad mostíkov spôsobuje výrazné zníženie pevnosti oleja.
Vlastnosti elektroizolačných materiálov
Uvažované typy rozpadu pevných dielektrík našli svoje uplatnenie v modernej elektrotechnike.
Z tekutých a polotekutých dielektrických materiálov používaných v súčasnosti v technológii transformátorové a kondenzátorové oleje, ako aj syntetické kvapaliny: sovtol, sovol.
Minerálne oleje sa získavajú frakčnou destiláciou ropy. Medzi ich jednotlivými typmi sú rozdiely vo viskozite, elektrických charakteristikách.
Napríklad oleje pre káble a kondenzátory sú vysoko rafinované, takže majú vynikajúce dielektrické vlastnosti. Nehorľavé syntetické kvapaliny sú sovtol a sovol. Na získanie prvého sa uskutoční chloračná reakcia kryštalického difenylu. Táto priehľadná viskózna kvapalina je toxická a môže dráždiť sliznicu, preto pri práci s takýmto dielektrikom treba starostlivo dodržiavať bezpečnostné opatrenia.
Sovtol je zmes trichlórbenzénu a sovolu, preto sa tento elektroizolačný materiál vyznačuje nižšou viskozitou.
Obe syntetické kvapaliny sa používajú na impregnáciu moderných papierových kondenzátorov inštalovaných v priemyselných zariadeniach na striedavý a jednosmerný prúd.
Biovysokopolymérne dielektrické materiály sa skladajú z mnohých molekúl monomérov. Jantár, prírodný kaučuk, má vysoké dielektrické vlastnosti.
Voskové materiály ako ceresín a parafín majú zreteľný bod topenia. Takéto dielektriká majú polykryštalickú štruktúru.
V modernej elektrotechnike sú plasty, čo sú kompozitné materiály, žiadané. Obsahujú polyméry, živice, farbivá, stabilizačné činidlá, ako aj plastifikačné zložky. Podľa ich vzťahu k teplu sa delia na termoplastické a termosetové materiály.
Na prácu vo vzduchu sa používa elektrokartón, ktorý má v porovnaní s bežným materiálom hustejšiu štruktúru.
Z vrstvených elektroizolačných materiálov s dielektrickými vlastnosťami vyzdvihujeme textolit, getinaky, sklolaminát. Tieto lamináty, ktoré ako spojivo používajú silikónové alebo rezolové živice, sú vynikajúcimi dielektrikami.
Príčiny javu
Rozpad dielektrika má rôzne dôvody. Preto stále neexistuje univerzálna teória, ktorá by tento fyzikálny proces plne vysvetlila. Bez ohľadu na možnosť izolácie sa v prípade poruchy vytvorí kanál špeciálnej vodivosti, ktorého veľkosť vedie k skratu v tomto elektrickom zariadení. Aké sú dôsledky takéhoto procesu? Existuje vysoká pravdepodobnosť mimoriadnej udalosti, v dôsledku ktorejelektrické zariadenie bude vyradené z prevádzky.
V závislosti od izolačného systému môže mať porucha rôzne prejavy. V prípade pevných dielektrík si kanál zachováva významnú vodivosť aj po vypnutí prúdu. Plynné a kvapalné elektrické izolačné materiály sa vyznačujú vysokou pohyblivosťou nabitých elektrónov. Preto dochádza k okamžitému obnoveniu kanála poruchy v dôsledku zmeny napätia.
V kvapalinách je rozklad spôsobený rôznymi procesmi. Najprv v priestore medzi elektródami vznikajú optické nehomogenity, v týchto miestach kvapalina stráca priehľadnosť. Teória A. Gemanta uvažuje s rozpadom kvapalného dielektrika ako emulzie. Podľa výpočtov vykonaných vedcami majú kvapky vlhkosti v dôsledku pôsobenia elektrického poľa podobu pretiahnutého dipólu. V prípade vysokej intenzity poľa sa kombinujú, čo prispieva k výbojom vo vytvorenom kanáli.
Pri vykonávaní mnohých experimentov sa zistilo, že ak je v kvapaline plyn, potom pri prudkom zvýšení napätia sa pred rozpadom objavia bubliny. Súčasne sa prierazné napätie takýchto kvapalín znižuje s klesajúcim tlakom alebo so zvyšujúcou sa teplotou.
Záver
S rozvojom elektrotechnického priemyslu sa moderné dielektrické materiály zlepšujú. V súčasnosti je technológia na vytváranie rôznych typov dielektrík natoľko modernizovaná, že je možné vytvárať lacné dielektriká s vysokým výkonom.
MedziNajžiadanejšie materiály s príslušnými vlastnosťami sú zaujímavé najmä pre sklo a sm altované sklo. Inštalácia, alkalická, lampa, kondenzátor, iné typy tohto materiálu sú látky amorfnej štruktúry. Keď sa do zmesi pridajú oxidy vápnika a hliníka, je možné zlepšiť dielektrické vlastnosti materiálu a znížiť pravdepodobnosť rozpadu.
Sm altované sklo sú materiály, v ktorých je na kovovom povrchu nanesená tenká vrstva skla. Táto technológia poskytuje spoľahlivú ochranu proti korózii.
Všetky materiály s elektroizolačnými vlastnosťami sú široko používané v modernej technológii. Ak sa dielektrickej poruche zabráni včas, je celkom možné zabrániť poškodeniu drahého zariadenia.
