Độ bền điện môi

Độ bền điện môi xác định khả năng của chất điện môi chịu được điện áp đặt vào nó. Vì vậy, độ bền điện của chất điện môi được hiểu là giá trị trung bình của cường độ điện trường Epr mà tại đó trong chất điện môi xảy ra sự cố điện.

Sự cố điện của chất điện môi là hiện tượng tăng mạnh độ dẫn điện của một vật liệu nhất định dưới tác động của điện áp đặt vào nó, với sự hình thành tiếp theo của kênh plasma dẫn điện.

Sự cố điện trong chất lỏng hoặc chất khí còn được gọi là sự phóng điện. Trên thực tế, sự phóng điện như vậy được hình thành dòng xả tụ điệnđược hình thành bởi các điện cực mà điện áp đánh thủng được áp dụng.

Trong bối cảnh này, điện áp đánh thủng Upr là điện áp tại đó bắt đầu đánh thủng điện, và do đó có thể tìm thấy cường độ điện môi bằng cách sử dụng công thức sau (trong đó h là độ dày của mẫu bị đánh thủng):

Epr = UNC/giờ

Rõ ràng, điện áp đánh thủng trong bất kỳ trường hợp cụ thể nào đều liên quan đến độ bền điện môi của chất điện môi được xem xét và phụ thuộc vào độ dày của khe hở giữa các điện cực.Theo đó, khi khoảng cách giữa các điện cực tăng lên, giá trị điện áp đánh thủng cũng tăng lên. Trong chất điện môi lỏng và khí, sự phát triển phóng điện trong quá trình đánh thủng xảy ra theo những cách khác nhau.

Độ bền điện môi của chất điện môi khí

Ion hóa — quá trình chuyển đổi một nguyên tử trung tính thành ion dương hoặc âm.

Trong quá trình phá vỡ một khoảng trống lớn trong chất điện môi khí, một số giai đoạn nối tiếp nhau:

1. Một electron tự do xuất hiện trong khe hở khí là kết quả của quá trình quang hóa của phân tử khí, trực tiếp từ điện cực kim loại hoặc vô tình.

2. Electron tự do xuất hiện trong khe hở được gia tốc bởi điện trường, năng lượng của electron tăng dần và cuối cùng đủ để ion hóa một nguyên tử trung hòa khi va chạm với nó. Đó là, quá trình ion hóa tác động xảy ra.

3. Là kết quả của nhiều hành động ion hóa tác động, một thác điện tử hình thành và phát triển.

4. Một bộ truyền phát được hình thành - một kênh plasma được hình thành bởi các ion dương còn sót lại sau khi một dòng điện tử chạy qua và các ion âm, hiện được hút vào plasma tích điện dương.

5. Dòng điện dung chạy qua bộ truyền phát gây ra hiện tượng ion hóa nhiệt và bộ truyền phát trở nên dẫn điện.

6. Khi khe phóng điện bị đóng bởi kênh phóng điện, quá trình phóng điện chính xảy ra.

Nếu khe hở phóng điện đủ nhỏ, thì quá trình đánh thủng có thể kết thúc ở giai đoạn đánh thủng tuyết lở hoặc ở giai đoạn hình thành tia lửa - ở giai đoạn đánh lửa.

Độ bền điện của chất khí được xác định bởi:

• Khoảng cách giữa các điện cực;

• Áp suất khí cần khoan;

• Ái lực của các phân tử khí đối với một electron, độ âm điện của chất khí.

Mối quan hệ áp suất được giải thích như sau. Khi áp suất trong khí tăng lên, khoảng cách giữa các phân tử của nó giảm xuống. Trong quá trình tăng tốc, electron phải thu được năng lượng tương tự với quãng đường tự do ngắn hơn nhiều, năng lượng này đủ để làm ion hóa một nguyên tử.

Năng lượng này được xác định bởi tốc độ của electron trong quá trình va chạm và tốc độ phát triển do gia tốc từ lực tác dụng lên electron từ điện trường, nghĩa là do cường độ của nó.

Đường cong Paschen cho thấy sự phụ thuộc của điện áp đánh thủng Upr trong khí vào tích của khoảng cách giữa các điện cực và áp suất — p * h. Ví dụ, đối với không khí ở p * h = 0,7 Pascal * mét, điện áp đánh thủng là khoảng 330 volt. Sự gia tăng điện áp đánh thủng ở bên trái của giá trị này là do xác suất va chạm của electron với phân tử khí giảm.

Ái lực điện tử là khả năng của một số phân tử và nguyên tử khí trung tính gắn thêm các điện tử vào chính chúng và trở thành các ion âm. Trong các chất khí có các nguyên tử có ái lực điện tử cao, trong các chất khí có độ âm điện, các điện tử cần một năng lượng gia tốc lớn để tạo thành một trận tuyết lở.

Được biết, ở điều kiện bình thường, tức là ở nhiệt độ và áp suất bình thường, độ bền điện môi của không khí trong khe hở 1 cm xấp xỉ 3000 V/mm, nhưng ở áp suất 0,3 MPa (gấp 3 lần so với bình thường) cường độ điện môi của cùng một không khí trở nên gần 10.000 V / mm. Đối với khí SF6, một loại khí có độ âm điện, độ bền điện môi ở điều kiện bình thường xấp xỉ 8700 V/mm. Và ở áp suất 0,3 MPa đạt 20.000 V/mm.

Độ bền điện môi của chất điện môi lỏng

Đối với chất điện môi lỏng, độ bền điện môi của chúng không liên quan trực tiếp đến cấu trúc hóa học của chúng. Và điều chính ảnh hưởng đến cơ chế phân rã trong chất lỏng là sự sắp xếp rất gần, so với chất khí, của các phân tử của nó. Ion hóa tác động, đặc trưng của chất khí, là không thể trong chất điện môi lỏng.

Năng lượng ion hóa do va chạm xấp xỉ 5 eV, và nếu chúng ta biểu thị năng lượng này là tích của cường độ điện trường, điện tích electron và quỹ đạo tự do trung bình, khoảng 500 nanomet, sau đó tính toán cường độ điện môi từ đó, chúng ta lấy 10.000.000 V/mm và cường độ điện thực đối với chất lỏng nằm trong khoảng từ 20.000 đến 40.000 V/mm.

Độ bền điện môi của chất lỏng thực sự phụ thuộc vào lượng khí trong các chất lỏng đó. Ngoài ra, độ bền điện môi phụ thuộc vào điều kiện của bề mặt điện cực mà điện áp được đặt vào. Sự phân hủy thành chất lỏng bắt đầu bằng sự phân hủy của các bong bóng khí nhỏ.

Khí có hằng số điện môi thấp hơn nhiều, do đó điện áp trong bong bóng hóa ra cao hơn trong chất lỏng xung quanh. Trong trường hợp này, độ bền điện môi của khí thấp hơn. Sự phóng điện bong bóng dẫn đến sự phát triển của bong bóng và cuối cùng xảy ra hiện tượng vỡ chất lỏng do sự phóng điện cục bộ trong bong bóng.

Các tạp chất đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế phát triển sự cố trong chất điện môi lỏng. Ví dụ, hãy xem xét dầu máy biến áp. Bồ hóng và nước là tạp chất dẫn điện làm giảm độ bền điện môi dầu biến áp.

Mặc dù nước thường không trộn lẫn với dầu, nhưng các giọt nhỏ nhất của nó trong dầu dưới tác động của điện trường sẽ phân cực, tạo thành các mạch có độ dẫn điện tăng so với dầu xung quanh và kết quả là dọc theo mạch xảy ra sự cố dầu.

Để xác định độ bền điện môi của chất lỏng trong điều kiện phòng thí nghiệm, người ta sử dụng các điện cực hình bán cầu có bán kính lớn hơn khoảng cách giữa chúng vài lần. Một điện trường đều được tạo ra trong khoảng cách giữa các điện cực. Một khoảng cách điển hình là 2,5 mm.

Đối với dầu máy biến áp, điện áp đánh thủng không được nhỏ hơn 50.000 vôn và các mẫu tốt nhất của nó khác nhau về giá trị điện áp đánh thủng là 80.000 vôn. Đồng thời, hãy nhớ rằng trong lý thuyết ion hóa tác động, điện áp này phải là 2.000.000 - 3.000.000 vôn.

Vì vậy, để tăng cường độ điện môi của chất điện môi lỏng, cần:

• Làm sạch chất lỏng khỏi các hạt dẫn điện rắn như than, bồ hóng, v.v.;

• Loại bỏ nước khỏi chất lỏng điện môi;

• Khử trùng chất lỏng (sơ tán);

• Tăng áp suất chất lỏng.

Độ bền điện môi của chất điện môi rắn

Độ bền điện môi của chất điện môi rắn có liên quan đến thời gian đặt điện áp đánh thủng. Và tùy thuộc vào thời điểm đặt điện áp vào chất điện môi và vào các quá trình vật lý xảy ra tại thời điểm đó, người ta phân biệt:

• Sự cố về điện xảy ra trong vài giây sau khi đặt điện áp;

• Sụp đổ nhiệt xảy ra trong vài giây hoặc thậm chí vài giờ;

• Hỏng hóc do phóng điện cục bộ, thời gian phơi sáng có thể hơn một năm.

Cơ chế phá vỡ chất điện môi rắn bao gồm sự phá hủy các liên kết hóa học trong một chất dưới tác động của điện áp đặt vào, với sự biến đổi chất đó thành plasma. Nghĩa là, chúng ta có thể nói về tỷ lệ giữa cường độ điện của chất điện môi rắn và năng lượng của các liên kết hóa học của nó.

Chất điện môi rắn thường vượt quá cường độ điện môi của chất lỏng và khí, ví dụ, thủy tinh cách điện có cường độ điện khoảng 70.000 V/mm, polyvinyl clorua - 40.000 V/mm và polyetylen - 30.000 V/mm.

Nguyên nhân của sự cố nhiệt nằm ở sự nóng lên của chất điện môi do tổn thất điện môikhi năng lượng mất điện vượt quá năng lượng được loại bỏ bởi chất điện môi.

Khi nhiệt độ tăng, số hạt tải điện tăng, độ dẫn điện tăng, góc tổn hao tăng, do đó nhiệt độ càng tăng thì độ bền điện môi càng giảm. Kết quả là, do sự nóng lên của chất điện môi, sự cố dẫn đến xảy ra ở điện áp thấp hơn so với khi không làm nóng, nghĩa là, nếu sự cố hoàn toàn là do điện.