Độ bền điện môi của lớp cách điện. ví dụ tính toán

Với sự tăng dần điện áp U giữa các dây dẫn được ngăn cách bởi một chất điện môi (cách điện), ví dụ, các bản tụ điện hoặc dây cáp dẫn điện, cường độ (cường độ) của điện trường trong chất điện môi tăng lên. Cường độ điện trường trong chất điện môi cũng tăng khi khoảng cách giữa các dây giảm.

Ở một cường độ trường nhất định, sự đánh thủng xảy ra trong chất điện môi, tia lửa hoặc hồ quang được hình thành và dòng điện xuất hiện trong mạch. Cường độ điện trường tại đó xảy ra đánh thủng lớp cách điện được gọi là cường độ điện Epr của lớp cách điện.

Độ bền điện môi được định nghĩa là điện áp trên mm độ dày lớp cách điện và được đo bằng V/mm (kV/mm) hoặc kV/cm. Ví dụ, độ bền điện môi của không khí giữa các tấm nhẵn là 32 kV/cm.

Cường độ điện trường trong chất điện môi đối với trường hợp các dây dẫn ở dạng tấm hoặc dải cách nhau một khoảng bằng nhau (ví dụ, trong tụ điện giấy) được tính theo công thức

E = U / ngày,

trong đó U là điện áp giữa các dây, V (kV); d - độ dày của lớp điện môi, mm (cm).

Ví dụ về

1. Cường độ điện trường trong khe hở không khí dày 3 cm giữa các bản nếu hiệu điện thế giữa chúng là U = 100 kV (Hình 1)?

Cơm. 1.

Cường độ điện trường là: E = U/d = 100000/3 = 33333 V/cm.

Điện áp như vậy vượt quá cường độ điện môi của không khí (32 kV / cm) và có nguy cơ bị phá hủy.

Nguy cơ hư hỏng DC có thể được ngăn chặn bằng cách tăng khoảng cách lên, chẳng hạn như 5 cm hoặc bằng cách sử dụng vật liệu cách nhiệt khác, mạnh hơn thay vì không khí, chẳng hạn như bìa cứng (Hình 2).

Cơm. 2.

Các tông điện có hằng số điện môi ε = 2 và cường độ điện môi là 80.000 V/cm. Trong trường hợp của chúng ta, cường độ điện trường trong lớp cách điện là 33333 V. Không khí không thể chịu được lực này, trong khi các tông điện trong trường hợp này có dự trữ cường độ điện môi là 80.000/33333 = 2,4, vì cường độ điện môi của hộp điện là 80.000/32.000 = 2,5 lần so với không khí.

2. Cường độ điện trường trong chất điện môi của tụ điện dày 3 mm nếu nối tụ điện vào hiệu điện thế U = 6 kV?

E = U/d = 6000/0,3 = 20000 V/cm.

3. Một lớp điện môi dày 2 mm bị đứt ở hiệu điện thế 30 kV. cường độ điện của nó là gì?

E = U/d = 30.000/0,2 = 150.000 V/cm = 150 kV/cm. Thủy tinh có độ bền điện như vậy.

4. Khoảng trống giữa các bản của tụ điện được lấp đầy bằng các lớp bìa cứng điện và một lớp mica có cùng độ dày (Hình 3). Hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện là U = 10000 V. Các tông điện có hằng số điện môi ε1 = 2 và mica ε2 = 8.Hiệu điện thế U sẽ phân bố như thế nào giữa các lớp cách điện và cường độ điện trường trong từng lớp sẽ như thế nào?

Cơm. 3.

Điện áp U1 và U2 giữa các lớp điện môi có cùng độ dày sẽ không bằng nhau. Điện áp tụ điện sẽ được chia thành điện áp U1 và U2, sẽ tỷ lệ nghịch với hằng số điện môi:

U1/U2 = ε2/ε1 = 8/2 = 4/1 = 4;

U1 = 4 ∙ U2.

Vì U = U1 + U2 nên ta có hai phương trình với hai ẩn số.

Thay phương trình thứ nhất vào phương trình thứ hai: U = 4 ∙ U2 + U2 = 5 ∙ U2.

Do đó, 10000 V = 5 ∙ U2; U2 = 2000 V; U1 = 4, U2 = 8000V.

Mặc dù các lớp điện môi có cùng độ dày nhưng chúng không tích điện như nhau. Điện môi có hằng số điện môi càng lớn thì tải càng ít (U2 = 2000 V) và ngược lại (U1 = 8000 V).

Cường độ điện trường E trong các lớp điện môi bằng:

E1 = U1/d1 = 8000/0,2 = 40.000 V/cm;

E2 = U2/d2 = 2000/0,2 = 10000 V/cm.

Sự khác biệt về hằng số điện môi dẫn đến sự gia tăng cường độ điện trường. Nếu toàn bộ khe hở chỉ được lấp đầy bằng một chất điện môi, ví dụ, mica hoặc bìa cứng điện, thì cường độ điện trường sẽ nhỏ hơn, vì nó sẽ được phân bố khá đều trong khe hở:

E = U/d = (U1 + U2)/(d1 + d2) = 10000/0,4 = 25000 V/cm.

Do đó, cần tránh sử dụng cách điện phức hợp có hằng số điện môi rất khác nhau. Vì lý do tương tự, nguy cơ hỏng hóc tăng lên khi bọt khí hình thành trong lớp cách nhiệt.

5. Xác định cường độ điện trường trong chất điện môi của tụ điện từ ví dụ trước nếu độ dày của các lớp điện môi không giống nhau.Bảng điện có độ dày d1 = 0,2 mm và mica d2 = 3,8 mm (Hình 4).

Cơm. 4.

Cường độ điện trường sẽ được phân phối tỷ lệ nghịch với hằng số điện môi:

E1/E2 = ε2/ε1 = 8/2 = 4.

Vì E1 = U1 / d1 = U1 / 0,2 và E2 = U2 / d2 = U2 / 3,8 nên E1 / E2 = (U1 / 0,2) / (U2 / 3,8) = (U1 ∙ 3,8) / (0,2 ∙ U2) = 19∙U1/U2.

Do đó E1/E2 = 4 = 19 ∙ U1/U2, hay U1/U2 = 4/19.

Tổng các hiệu điện thế U1 và U2 trên các lớp điện môi bằng hiệu điện thế nguồn U: U = U1 + U2; 10000 = U1 + U2.

Vì U1 = 4/19 ∙ U2 nên 10000 = 4/10 ∙ U2 + U2 = 23/19 ∙ U2; U2 = 190.000 /23 = 8260 V; U1=U-U2=1740V.

Cường độ điện trường trong mica là E2 ∙ 8260/3,8≈2174 V/cm.

Mica có cường độ điện 80.000 V/mm và chịu được điện áp như vậy.

Cường độ điện trường trong tông điện là E1 = 1740/0,2 = 8700 V/mm.

Các tông điện sẽ không chịu được điện áp như vậy, vì độ bền điện môi của nó chỉ là 8000 V / mm.

6. Một hiệu điện thế 60 000 V được nối vào hai tấm kim loại cách nhau 2 cm. Hãy xác định cường độ điện trường trong khe hở không khí, cũng như cường độ điện trường trong không khí và thủy tinh nếu trong khe hở có thủy tinh chèn một tấm bằng độ dày 1 cm (Hình 5).

Cơm. 5.

Nếu giữa các bản chỉ có không khí thì cường độ điện trường trong đó bằng: E ​​= U/d = 60.000 /2 = 30.000 V/cm.

Cường độ trường gần với cường độ điện môi của không khí.Nếu đưa một tấm thủy tinh dày 1 cm (hằng số điện môi thủy tinh ε2 = 7) vào khe hở thì E1 = U1 / d1 = U1 / 1 = U1; E2 = U2/d2 = U2/1 = U2; E1/E2 = ε2/ε1 = 7/1 = U1/U2;

U1 = 7 ∙ U2; U1=60.000-U2; 8 ∙ U2 = 60.000; U2 = 7500 V; E2 = U2/d2 = 7500 V/cm.

Cường độ điện trường trong thủy tinh là E2 = 7,5 kV/cm và cường độ điện trường của nó là 150 kV/cm.

Trong trường hợp này, kính có hệ số an toàn gấp 20 lần.

Đối với khe hở không khí ta có: U1=60000-7500=52500 V; E1 = U1/d1 = 52500 V/cm.

Trong trường hợp này, cường độ điện trường trong khe hở không khí lớn hơn so với trường hợp đầu tiên không có kính. Sau khi kính được lắp vào, toàn bộ sự kết hợp có ít sức mạnh hơn so với không khí.

Nguy cơ vỡ cũng xảy ra khi độ dày của tấm kính bằng khoảng cách giữa các tấm dẫn điện, tức là 2 cm, vì chắc chắn sẽ có những khe hở không khí loãng trong khe hở sẽ bị thủng.

Độ bền điện môi của khe hở giữa các dây dẫn điện áp cao phải được tăng cường bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp và độ bền điện môi cao, ví dụ, các tông điện có ε = 2. Tránh kết hợp các vật liệu có hằng số điện môi cao (thủy tinh , sứ) và không khí, phải được thay thế bằng dầu.