Rigidez dielétrica

A rigidez dielétrica determina a capacidade de um dielétrico de suportar uma tensão elétrica aplicada a ele. Assim, a resistência elétrica do dielétrico é entendida como o valor médio da intensidade do campo elétrico Epr no qual ocorre uma ruptura elétrica no dielétrico.

A quebra elétrica de um dielétrico é um fenômeno de aumento acentuado da condutividade elétrica de um determinado material sob a ação de uma tensão aplicada a ele, com a subsequente formação de um canal de plasma condutor.

Uma falha elétrica em líquidos ou gases também é chamada de descarga elétrica. De fato, tal descarga é formada corrente de descarga do capacitorformado por eletrodos aos quais é aplicada uma tensão de ruptura.

Nesse contexto, a tensão de ruptura Upr é a tensão na qual a ruptura elétrica começa e, portanto, a rigidez dielétrica pode ser encontrada usando a seguinte fórmula (onde h é a espessura da amostra a ser quebrada):

Epr = UNC/h

Obviamente, a tensão de ruptura em qualquer caso particular está relacionada à rigidez dielétrica do dielétrico considerado e depende da espessura do espaço entre os eletrodos.Consequentemente, à medida que o espaço entre os eletrodos aumenta, o valor da tensão de ruptura também aumenta. Em dielétricos líquidos e gasosos, o desenvolvimento da descarga durante a quebra ocorre de maneiras diferentes.

Rigidez dielétrica de dielétricos gasosos

Ionização — o processo de conversão de um átomo neutro em um íon positivo ou negativo.

No processo de quebrar uma grande lacuna em um dielétrico de gás, vários estágios seguem um após o outro:

1. Um elétron livre aparece no intervalo de gás como resultado da fotoionização de uma molécula de gás, diretamente de um eletrodo de metal ou acidentalmente.

2. O elétron livre que aparece na lacuna é acelerado pelo campo elétrico, a energia do elétron aumenta e eventualmente se torna suficiente para ionizar um átomo neutro ao colidir com ele. Ou seja, ocorre a ionização por impacto.

3. Como resultado de muitas ações de ionização de impacto, uma avalanche de elétrons se forma e se desenvolve.

4. Forma-se um streamer — um canal de plasma formado por íons positivos deixados após a passagem de uma avalanche de elétrons e negativos, que agora são atraídos para o plasma carregado positivamente.

5. A corrente capacitiva através do streamer causa ionização térmica e o streamer se torna condutivo.

6. Quando a folga de descarga é fechada pelo canal de descarga, ocorre a descarga principal.

Se a folga de descarga for pequena o suficiente, o processo de quebra pode terminar já no estágio de quebra de avalanche ou no estágio de formação do streamer - no estágio da faísca.

A força elétrica dos gases é determinada por:

• Distância entre eletrodos;

• Pressão no gás a ser perfurado;

• A afinidade das moléculas de gás por um elétron, a eletronegatividade de um gás.

A relação de pressão é explicada a seguir. À medida que a pressão no gás aumenta, as distâncias entre suas moléculas diminuem. Durante a aceleração, o elétron deve adquirir a mesma energia com um caminho livre muito mais curto, o que é suficiente para ionizar um átomo.

Essa energia é determinada pela velocidade do elétron durante a colisão, e a velocidade se desenvolve devido à aceleração da força que atua sobre o elétron do campo elétrico, ou seja, devido à sua força.

A curva de Paschen mostra a dependência da tensão de ruptura Upr no gás do produto da distância entre os eletrodos e a pressão - p * h. Por exemplo, para ar em p * h = 0,7 Pascal * metro, a tensão de ruptura é de cerca de 330 volts. O aumento da tensão de ruptura à esquerda desse valor se deve ao fato de que a probabilidade de um elétron colidir com uma molécula de gás diminui.

Afinidade eletrônica é a capacidade de algumas moléculas neutras e átomos de gás de anexar elétrons adicionais a si mesmos e se tornarem íons negativos. Em gases com átomos de alta afinidade eletrônica, em gases eletronegativos os elétrons precisam de uma grande energia de aceleração para formar uma avalanche.

Sabe-se que em condições normais, ou seja, em temperatura e pressão normais, a rigidez dielétrica do ar em um vão de 1 cm é de aproximadamente 3000 V / mm, mas a uma pressão de 0,3 MPa (3 vezes mais que o normal) o a rigidez dielétrica do mesmo ar fica próxima de 10.000 V/mm. Para o gás SF6, um gás eletronegativo, a rigidez dielétrica em condições normais é de aproximadamente 8700 V/mm. E a uma pressão de 0,3 MPa, chega a 20.000 V/mm.

Rigidez dielétrica de dielétricos líquidos

Quanto aos dielétricos líquidos, sua rigidez dielétrica não está diretamente relacionada à sua estrutura química. E a principal coisa que afeta o mecanismo de decaimento em um líquido é o arranjo muito próximo, em comparação com um gás, de suas moléculas. A ionização por impacto, característica dos gases, é impossível em um dielétrico líquido.

A energia de ionização de impacto é de aproximadamente 5 eV, e se expressarmos essa energia como o produto da intensidade do campo elétrico, a carga do elétron e o caminho livre médio, que é cerca de 500 nanômetros, e depois calcularmos a rigidez dielétrica disso, teremos obtenha 10.000.000 V/mm, e a força elétrica real para líquidos varia de 20.000 a 40.000 V/mm.

A rigidez dielétrica dos líquidos realmente depende da quantidade de gás nesses líquidos. Além disso, a rigidez dielétrica depende da condição das superfícies do eletrodo às quais a tensão é aplicada. A decomposição em um líquido começa com a quebra de pequenas bolhas de gás.

O gás tem uma constante dielétrica muito menor, de modo que a tensão na bolha acaba sendo maior do que no líquido circundante. Neste caso, a rigidez dielétrica do gás é menor. As descargas das bolhas levam ao crescimento das bolhas e, eventualmente, ocorre a quebra do líquido como resultado de descargas parciais nas bolhas.

As impurezas desempenham um papel importante no mecanismo de desenvolvimento da quebra em dielétricos líquidos. Considere, por exemplo, óleo de transformador. Fuligem e água como impurezas condutoras reduzem a rigidez dielétrica óleo de transformador.

Embora a água geralmente não se misture com o óleo, suas menores gotículas no óleo sob a ação de um campo elétrico se polarizam, formam circuitos com maior condutividade elétrica em comparação com o óleo circundante e, como resultado, ocorre a quebra do óleo ao longo do circuito.

Para determinar a rigidez dielétrica de líquidos em condições de laboratório, são utilizados eletrodos hemisféricos, cujo raio é várias vezes maior que a distância entre eles. Um campo elétrico uniforme é criado no espaço entre os eletrodos. Uma distância típica é de 2,5 mm.

Para óleo de transformador, a tensão de ruptura não deve ser inferior a 50.000 volts, e suas melhores amostras diferem no valor da tensão de ruptura de 80.000 volts. Ao mesmo tempo, lembre-se de que, na teoria da ionização por impacto, essa voltagem deveria ser de 2.000.000 a 3.000.000 volts.

Então, para aumentar a rigidez dielétrica de um dielétrico líquido, é necessário:

• Limpe o líquido de partículas condutoras sólidas, como carvão, fuligem, etc.;

• Remova a água do fluido dielétrico;

• Desinfetar o líquido (evacuar);

• Aumente a pressão do fluido.

Rigidez dielétrica de dielétricos sólidos

A rigidez dielétrica dos dielétricos sólidos está relacionada ao tempo durante o qual a tensão de ruptura é aplicada. E dependendo do momento em que a tensão é aplicada ao dielétrico e dos processos físicos que ocorrem naquele momento, eles distinguem:

• Falha elétrica que ocorre em frações de segundos após a aplicação da tensão;

• Colapso térmico que ocorre em segundos ou mesmo horas;

• Avaria devido a descargas parciais, o tempo de exposição pode ser superior a um ano.

O mecanismo de quebra de um dielétrico sólido consiste na destruição das ligações químicas de uma substância sob a ação de uma tensão aplicada, com a transformação da substância em plasma. Ou seja, podemos falar da proporcionalidade entre a força elétrica de um dielétrico sólido e a energia de suas ligações químicas.

Os dielétricos sólidos geralmente excedem a rigidez dielétrica de líquidos e gases, por exemplo, o vidro isolante tem uma resistência elétrica de cerca de 70.000 V/mm, cloreto de polivinila - 40.000 V/mm e polietileno - 30.000 V/mm.

A causa da ruptura térmica está no aquecimento do dielétrico devido à perda dielétricaquando a energia de perda de potência excede a energia removida pelo dielétrico.

À medida que a temperatura aumenta, o número de portadores aumenta, a condutividade aumenta, o ângulo de perda aumenta e, portanto, a temperatura aumenta ainda mais e a rigidez dielétrica diminui. Como resultado, devido ao aquecimento do dielétrico, a falha resultante ocorre em uma tensão menor do que sem aquecimento, ou seja, se a falha for puramente elétrica.