ความเป็นฉนวน

ความเป็นฉนวนกำหนดความสามารถของไดอิเล็กตริกในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับมัน ดังนั้นความแข็งแรงทางไฟฟ้าของไดอิเล็กตริกจึงเป็นค่าเฉลี่ยของความแรงของสนามไฟฟ้า Epr ซึ่งการสลายตัวทางไฟฟ้าเกิดขึ้นในไดอิเล็กตริก

การสลายตัวทางไฟฟ้าของไดอิเล็กตริกเป็นปรากฏการณ์ของการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในการนำไฟฟ้าของวัสดุที่กำหนดภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้กับการก่อตัวของช่องพลาสมาที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าตามมา

การสลายตัวทางไฟฟ้าในของเหลวหรือก๊าซเรียกอีกอย่างว่าการคายประจุไฟฟ้า ในความเป็นจริงการปลดปล่อยดังกล่าวเกิดขึ้น ตัวเก็บประจุปล่อยกระแสเกิดจากอิเล็กโทรดที่ใช้แรงดันพังทลาย

ในบริบทนี้ แรงดันพังทลาย Upr คือแรงดันที่การสลายทางไฟฟ้าเริ่มต้นขึ้น ดังนั้นค่าความเป็นฉนวนสามารถพบได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้ (โดยที่ h คือความหนาของตัวอย่างที่จะแยกย่อย):

Epr = UNC/ชม

เห็นได้ชัดว่าแรงดันพังทลายในกรณีใด ๆ นั้นเกี่ยวข้องกับความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกที่พิจารณาและขึ้นอยู่กับความหนาของช่องว่างระหว่างขั้วไฟฟ้าดังนั้น เมื่อช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้น ค่าแรงดันพังทลายก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ในไดอิเล็กตริกที่เป็นของเหลวและก๊าซ การพัฒนาของการปล่อยระหว่างการสลายเกิดขึ้นในรูปแบบต่างๆ

ความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกก๊าซ

Ionization — กระบวนการเปลี่ยนอะตอมที่เป็นกลางให้เป็นไอออนบวกหรือไอออนลบ

ในกระบวนการทำลายช่องว่างขนาดใหญ่ในไดอิเล็กตริกของแก๊ส มีหลายขั้นตอนตามมา:

1. อิเล็กตรอนอิสระปรากฏขึ้นในช่องว่างของแก๊สอันเป็นผลมาจากโฟโตไอออนไนเซชันของโมเลกุลแก๊ส โดยตรงจากอิเล็กโทรดโลหะหรือโดยบังเอิญ

2. อิเล็กตรอนอิสระที่ปรากฏในช่องว่างนั้นถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้า พลังงานของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นและในที่สุดก็เพียงพอที่จะทำให้อะตอมที่เป็นกลางแตกตัวเป็นไอออนเมื่อชนกับมัน นั่นคือการแตกตัวเป็นไอออนเกิดขึ้น

3. ผลจากการกระทำของไอออไนเซชันที่มีผลกระทบมากมาย ทำให้อิเล็กตรอนถล่มก่อตัวและพัฒนาขึ้น

4. ลำแสงถูกสร้างขึ้น — ช่องพลาสมาที่เกิดจากไอออนบวกที่หลงเหลืออยู่หลังจากการผ่านของอิเล็กตรอนถล่ม และไอออนลบซึ่งตอนนี้ถูกดึงเข้าไปในพลาสมาที่มีประจุบวก

5. กระแสประจุไฟฟ้าผ่านลำแสงทำให้เกิดการไอออนไนซ์ด้วยความร้อนและลำแสงกลายเป็นตัวนำไฟฟ้า

6. เมื่อช่องจ่ายถูกปิดโดยช่องจ่าย จะเกิดการระบายหลัก

หากช่องว่างการปลดปล่อยมีขนาดเล็กพอ กระบวนการแยกย่อยสามารถสิ้นสุดลงแล้วที่ระยะการพังทลายของหิมะถล่มหรือที่ระยะการก่อตัวของลำแสง - ที่ระยะของประกายไฟ

ความแข็งแรงทางไฟฟ้าของก๊าซถูกกำหนดโดย:

• ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า

• ความดันในก๊าซที่จะเจาะ

• ความสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของแก๊สกับอิเล็กตรอน ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของแก๊ส

ความสัมพันธ์ของความดันอธิบายได้ดังนี้ เมื่อความดันในก๊าซเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของก๊าซจะลดลง ในระหว่างการเร่งความเร็ว อิเล็กตรอนจะต้องได้รับพลังงานเท่ากันกับเส้นทางอิสระที่สั้นกว่ามาก ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนได้

พลังงานนี้ถูกกำหนดโดยความเร็วของอิเล็กตรอนระหว่างการชน และความเร็วจะเกิดขึ้นเนื่องจากการเร่งความเร็วจากแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจากสนามไฟฟ้า นั่นคือเนื่องจากความแรงของมัน

เส้นโค้ง Paschen แสดงการพึ่งพาของแรงดันพังทลาย Upr ในก๊าซบนผลคูณของระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดและแรงดัน — p * h ตัวอย่างเช่น สำหรับอากาศที่ p * h = 0.7 Pascal * เมตร แรงดันพังทลายจะอยู่ที่ประมาณ 330 โวลต์ การเพิ่มขึ้นของแรงดันพังทลายทางด้านซ้ายของค่านี้เกิดจากความจริงที่ว่าความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะชนกับโมเลกุลของก๊าซจะลดลง

ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนคือความสามารถของโมเลกุลที่เป็นกลางและอะตอมของแก๊สในการติดอิเล็กตรอนเพิ่มเติมเข้ากับตัวมันเองและกลายเป็นไอออนลบ ในก๊าซที่มีอะตอมที่มีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง ในก๊าซที่มีประจุไฟฟ้าลบ อิเล็กตรอนต้องการพลังงานเร่งจำนวนมากเพื่อก่อตัวเป็นหิมะถล่ม

เป็นที่ทราบกันว่าภายใต้สภาวะปกติ นั่นคือ ที่อุณหภูมิและความดันปกติ ความเป็นฉนวนของอากาศในช่องว่าง 1 ซม. จะอยู่ที่ประมาณ 3000 V / mma แต่ที่ความดัน 0.3 MPa (มากกว่าปกติ 3 เท่า) ความเป็นฉนวนของอากาศเดียวกันจะเข้าใกล้ 10,000 V / mm. สำหรับก๊าซ SF6 ซึ่งเป็นก๊าซอิเล็กโทรเนกาติตี ความเป็นฉนวนภายใต้สภาวะปกติจะอยู่ที่ประมาณ 8700 V/มม. และที่ความดัน 0.3 MPa จะสูงถึง 20,000 V / mm.

ความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกเหลว

สำหรับไดอิเล็กตริกเหลว ความเป็นไดอิเล็กตริกของพวกมันไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับโครงสร้างทางเคมีของพวกมัน และสิ่งสำคัญที่ส่งผลต่อกลไกการสลายตัวในของเหลวคือการจัดเรียงโมเลกุลของมันอย่างใกล้ชิดเมื่อเทียบกับก๊าซ การแตกตัวเป็นไอออนซึ่งเป็นลักษณะของก๊าซเป็นไปไม่ได้ในไดอิเล็กตริกเหลว

พลังงานไอออไนเซชันของการกระแทกมีค่าประมาณ 5 eV และถ้าเราแสดงพลังงานนี้เป็นผลคูณของความแรงของสนามไฟฟ้า ประจุอิเล็กตรอน และเส้นทางอิสระเฉลี่ย ซึ่งมีค่าประมาณ 500 นาโนเมตร แล้วคำนวณความเป็นฉนวนจากนั้น เราจะ ได้ 10,000,000 V/mm และความแรงของไฟฟ้าจริงสำหรับของเหลวอยู่ในช่วงตั้งแต่ 20,000 ถึง 40,000 V/mm.

ความเป็นฉนวนของของเหลวขึ้นอยู่กับปริมาณของก๊าซในของเหลวเหล่านั้น นอกจากนี้ ความเป็นฉนวนยังขึ้นอยู่กับสภาพของพื้นผิวอิเล็กโทรดที่ใช้แรงดันไฟฟ้า การแตกตัวเป็นของเหลวเริ่มต้นด้วยการแตกตัวของฟองก๊าซเล็กๆ

ก๊าซมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำกว่ามาก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าในฟองจึงสูงกว่าในของเหลวโดยรอบ ในกรณีนี้ความเป็นฉนวนของก๊าซจะลดลง การปล่อยฟองทำให้เกิดการเติบโตของฟองและในที่สุดการแตกตัวของของเหลวเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการปล่อยฟองอากาศบางส่วน

สิ่งเจือปนมีบทบาทสำคัญในกลไกการพัฒนาการแตกตัวในไดอิเล็กตริกเหลว ตัวอย่างเช่นพิจารณาน้ำมันหม้อแปลง เขม่าและน้ำเป็นสิ่งสกปรกที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าลดความเป็นฉนวน น้ำมันหม้อแปลง.

แม้ว่าโดยปกติแล้วน้ำจะไม่ผสมกับน้ำมัน แต่หยดน้ำที่เล็กที่สุดในน้ำมันภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าโพลาไรซ์ ทำให้เกิดวงจรที่มีค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำมันที่อยู่รอบๆ และเป็นผลให้เกิดการแตกตัวของน้ำมันตามวงจร

ในการตรวจสอบความเป็นฉนวนของของเหลวในห้องปฏิบัติการจะใช้อิเล็กโทรดแบบครึ่งวงกลมซึ่งมีรัศมีมากกว่าระยะห่างระหว่างพวกมันหลายเท่า สนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอถูกสร้างขึ้นในช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรด ระยะห่างทั่วไปคือ 2.5 มม.

สำหรับน้ำมันหม้อแปลง แรงดันพังทลายไม่ควรน้อยกว่า 50,000 โวลต์ และตัวอย่างที่ดีที่สุดมีค่าแรงดันพังทลายที่ 80,000 โวลต์ ในขณะเดียวกัน โปรดจำไว้ว่าในทฤษฎีไอออนไนซ์แบบกระแทก แรงดันไฟฟ้านี้ควรเป็น 2,000,000 — 3,000,000 โวลต์

ดังนั้นเพื่อเพิ่มความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกเหลวจึงมีความจำเป็น:

• ทำความสะอาดของเหลวจากอนุภาคนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง เช่น ถ่านหิน เขม่า ฯลฯ

• นำน้ำออกจากของเหลวอิเล็กทริก

• ฆ่าเชื้อของเหลว (อพยพ);

• เพิ่มแรงดันของเหลว

ความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง

ความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งนั้นสัมพันธ์กับเวลาที่มีการใช้แรงดันพังทลาย และขึ้นอยู่กับเวลาที่แรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับไดอิเล็กตริกและกระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นในเวลานั้นจะแยกแยะ:

• ความล้มเหลวทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเสี้ยววินาทีหลังจากใช้แรงดันไฟฟ้า

• การล่มสลายเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในไม่กี่วินาทีหรือหลายชั่วโมง

• พังทลายเนื่องจากการระบายออกบางส่วน เวลาเปิดรับแสงอาจนานกว่าหนึ่งปี

กลไกการสลายตัวของไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งประกอบด้วยการทำลายพันธะเคมีในสารภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่นำไปใช้โดยมีการเปลี่ยนแปลงของสารเป็นพลาสมา นั่นคือเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับสัดส่วนระหว่างความแข็งแรงทางไฟฟ้าของไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งและพลังงานของพันธะเคมี

ไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งมักจะมีค่าเกินความเป็นไดอิเล็กตริกของของเหลวและก๊าซ ตัวอย่างเช่น ฉนวนแก้วมีความแรงไฟฟ้าประมาณ 70,000 V/mm, โพลีไวนิลคลอไรด์ — 40,000 V/mm และโพลีเอทิลีน — 30,000 V/mm

สาเหตุของการสลายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่ในความร้อนของไดอิเล็กตริกเนื่องจาก การสูญเสียอิเล็กทริกเมื่อพลังงานที่สูญเสียพลังงานเกินกว่าพลังงานที่ไดอิเล็กตริกดึงออกมา

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนพาหะเพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น มุมสูญเสียเพิ่มขึ้น ดังนั้นอุณหภูมิจึงเพิ่มขึ้นและความเป็นฉนวนลดลง ผลที่ตามมา เนื่องจากความร้อนของไดอิเล็กตริก ความล้มเหลวที่เกิดขึ้นจึงเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าที่ไม่มีความร้อน นั่นคือ หากความล้มเหลวเกิดจากไฟฟ้าล้วน