1. Parametry materiałowe
a) rodzaj dielektryka: stały (papier, preszpan, PE, XLPE, szkło), ciekły (oleje, estry naturalne) gazowe (powietrze, SF6, N2,CO2) b) grubość dielektryka c) natężenie pola elektrycznego (kształt elektrod) E=β∙Ua Układ płaski β = 1, brak wyładowań wstępnych Układ ostrzowy β=100, wyładowania wstępne d) rodzaj napięcia : AC (Vsk), DC (Vśr), Imp(Vmax)
2. Rezystywność materiałów dielektycznych
ρ=1γ -jaki opór stanowi dany materiał, prąd przewodzenia zależy od przepływu j+, j-, e-
Jp=i=1mni∙qi∙ϑ- gęstość przewodzenia
ϑ=Vi∙E stąd Jp=E∙i=1mni∙qi∙Vi
Gamma zależy od materiału, czasu trwania i natężenia pola, ilości zanieczyszczeń.
a) rezystywność skrośna:
R=ρVl/S ρV=RS/l=RS/g [Ω(m)m] gdzie R=U/I – z pomiarów g- grubość próbki, S- pole powierzchni mniejszej elektrody ρV to jeden z najważniejszych parametrów izolatorów, dla najlepszych izolatorów ρV jest rzędu 1015-1016[Ωm], np. polietylen, teflon.
b) rezystywność wnętrzowa
najlepsze materiały izolacyjne odznaczają się rezystancją wnętrzową rzędu MΩ-GΩ i większe. Rezystancję wnętrzową oznaczamy Ri=U/I[Ω]
c) rezystywność powierzchniowa
Rs=U/I ρs=Rsd/l [Ω]
jeżeli dielektryk jest suchy i czysty to Rs jest bardzo duża, jeżeli jest wilgotny na powierzchni to Rs mocno maleje
Z rezystywnością związane są
Hydrofilność- zwilżające się materiały Θ<90
Hydrofobowość- niezwilżające się materiały pod wpływem wilgoci ;Θ>90
Higroskopijność – gdy chłonie wodę lub wilgoć całą swoją objętością (papier, preszpan, żywice termoutw.)
3. Przenikalność elektryczna.
ΦE=D∙dS=i=1nqi
z dielektrykiem ciekłym
εw – przenikalność el. względna (dla próżni = 1)
4. Współczynnik strarności tg delta Ico - Prąd ładowania poj. geom. idealnej czyli inaczej kondensatora próżniowego Icd – składowa pojemnościowa pojawia się po wprowadzeniu materiału izolacyjnego Ipd – składowa czynna potrzebna do pokrycia strat energi związanej z polaryzacją Iq – składowa czynna zwiazana z przewodzeniem dielektryka
im mniejszy tym lepiej bo tzn. że materiałowo jest dobrym izolatorem
5. Wytrzymałość elektryczna układów
Gazy: Pow.atmosferyczne (najpopularniejszy czynnik izolujący) Zalety: powszechne występowanie, najtańszy, niepalny, duża rezystywność r=1016Wm. Wady: działa korodująco w obecności wilgoci, utlenianie oraz starzenie mat izolacyjnych, wytrzymałość zależy od wielu czynników: gęstości, ciśnienia, temp, wilgoci, zapylenia, stopnia niejednorodności pola elektrycznego. AZOT – stosowany jako izolacja wysko-nap.urządzeń elektr. w kondensatorach wzorcowe i pomiarowe, generatory elektostat. Pozbawiony wilgoci stos.w ukł. o podwyższonym ciśnieniu oraz w tzw. wysokotemp. urządzeniach kriogenicznych (kable kriogeniczne- nadprzewodniki). Zalety: stosowany tam, gdzie nie można powietrza,bo korozja nie przyspiesza proc. starzenia, niepalny, tani, nietoksyczny, wytrzymałość elektr porównywalne do powietrza. Wady: wytrz.elektr zal. od gęstości (ciśnienia i temp.)CO2–w powietrzu 0,03%;b.trwały chemicznie; niepalny; nietoksyczny; tani; stosowany w aparaturze rozdzielczej; aparatura pomiarowa (kondensatory pomiar. Wzorcowe, kilowoltomierze elektrostat.) stos. w podwyższ. ciśnieniu; stosowana gdzie musi być wytworzona atmosf. obojętna; 80% wytrz. powietrza. H2 – używany w turbogenerat. jako czynnik chłodzący (ma dużą pojemność cieplną). Wady: wybuchowy, hermetyczne zamykanie, łatwopalny Hel – gaz szlachetny do urządzeń kriogenicznych (b.niskie temp.) , stos. w nadprzewodnictwie jako czynnik chłodzący, mała wytrzymałość, eksperymentalne kable energetyczne Freony i Halony CFC - są to gazy elektroujemne, są zdolne do przyłączania pojedynczych elektronów z powietrza.. Wytrz. 2,5*>od pow. Wady: nieprzyjazność dla środowiska nat; przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen. Stos. w aparaturze łączeniowej. SF6 –elektroujemny, nietoksyczny, b.trwały (do 800oC), bdb gasi łuk elektr. (wyłączniki ciśnieniowe), nie wywołuje korozji. Wady: 6* cięższy od pow.; pod wpływem
wyładowań elektr, rozpada się na związki trujące i
DU-spadek nap.w pęcherzyku gazu;d-nap. pow. cieczy;ew1-przenik.el.cieczy.izol.; ew2-przenik.el.gazu w pęcherzyku; r-prom. początkowy pęcherzyka gazu(im r tymEk)
Mechanizm mostkowy- w cieczach zanieczyszczonych. Zanieczyszczenia stałe: włókna celulozowe z izolacji kablowej. W zewn. polu elektr. te zanieczyszczenia ulegają polryzacji i poruszają się wzdłuż linii pola, ustawiają się jedna za drugą i tworzą tzw. mostek łączący przeciwne elektrody. Wytrzymałość takiego mostka jest dużo mniejsza niż cieczy więc wyładowanie przebiegnie wzdłuż mostka. Mechanizm ten wymaga dużo czasu (musi się nagromadzić dużo zanieczyszczeń).Bardzo duże znaczenie ma stopień zawilgocenia oleju (zwiększa prawdopodob. przebicia).Nat. kryt:
k-stała Boltzmana (1,38 * 10 -23 J/K); T-temp.[K]; ew1-wsp.cieczy; ew2-wsp.mat. mostka; b-współ. niejednorodności pola; r – promień cząstki zanieczyszczeń
Efekt Barierowy (wpływa na wytrzymałość cieczy) – pomiędzy elektrodami umieszczamy przegrodę z dielektryka stałego. Taka bariera powoduje, że niemożliwe jest przemieszczanie cząstek zanieczyszczeń i ustawienie się mostka, chyba, że zanieczyszczenia są po obu stronach bariery Jak wpływają różne czynniki np. wytrzymałość elektr. cieczy: Wilgotność jest wyłapywana przez włókna celulozy i potęguje zjawisko przewodzenia prądu elektrycznego. Wzrasta prąd wpływu , rośnie temp sprzyja to wyładowaniu.
W-rozpuszczalność wody w cieczy izolacyjnej; Wr- granica rozpuszczalności wody w oleju
olej zawilgocony – następuje zmalenie lepkości oleju, co powoduje zwiększenie ruchliwości cząstek i zanieczyszczeń ®wzrost ilości mostków olej zawilgocony – im temp tym wydzielanie gazu i wilgoci z oleju (odparowywanie wody) i wzrost wytrzymałości
zmniejszenie wytrzymałości, bo coraz mniejsza lepkość, łatwiejsza jest jonizacja, bo większa ruchliwość cząstek 14. Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych stałych
Izolacje stałe należą do kategorii nieregenerujących się. ( papier , szkło , porcelana , tworzywa sztuczne) Mechanizm elektryczny (elekrtonowy) (mech.przebicia istotnego)-rozwija się w czasie <=1s.Wystepuje w materiale czystym i jednorodnym o dużej wytrzymałości istotnej (właściwej) 40-1500 [kV/mm].W urządzeniach technicznych mamy [5 (kable) – 50 (kondensatory) ] KV / mm. Pole musi być na tyle duże, aby elektron przeszedł do stanu przewodnictwa i tak aby przyspieszył i spowodował jonizację cząstek. Zaczynają się mnożyć ładunki. Występuje prąd przebicia bezpowrotnie niszczący materiał stały. Nat. kryt. EK=C*exp[DW/(2kTk)] C-stała charakteryzująca dany dielektryk stały; DW-szerokość pasma poziomów energetycznych dozwolonych; k-stała Boltzmana; TK-temp. kryt.w lokalnym kanale przewodzenia Mechanizm cieplny – rozwija się, gdy dielektryk nagrzeje się powyżej temp. otoczenia. Prąd upływu, straty polaryzacyjne(wynikają z ruchu cząstek w zmieniającym się polu)- to przyczyna przebi-cia. gE2+l(d2T/dx2)>0 g-przewodność dielektryka; E-zewn.natężenie pola; l-przewodność cieplna; x-wyróżniony kierunek w którym wzrasta temp.
Nap.przebicia cieplnego
Cr-stała materiałowa; a-grubość dielektryka; tk-czas krytyczny do przebicia;a-współ.temperaturowy przewodności; To-temp.początkowa; go-przewodność w temp.To
Mechanizm wywoływany wyładowaniami niezupełnymi (jonizacyjny) Rozwija się w czasie bardzo długim (nawet kilka lat) Jest charakterystyczny dla zanieczyszczonych ciał stałych (pęcherzyki powietrzne , wtrąciny stałe)
E1*e1= E2*e2
Wyładowania niezupełne obejmują część przestrzeni izolacyjnej nie powodują zwarcia układu elektrod , a po czasie powodują trwałe uszkodzenia izolacji i w efekcie do wył. zupełnego –zwarcia elektrod.Gdy zanieczyszczenie ma formę ciała stałego linie sił pola elektrycznego albo omijają element lub wnikają do tego zanieczyszczenia – lokalne zwiększenie zagęszczenia pola. Jest to mechanizm długotrwały Mechanizm starzenia elektrochemicznego (rozwija się w b.długim czasie).W obecności pola w dielektryku zachodzą różnego rodzaju reakcje chemiczne zależne od: rodzaju materiału; rodzaju przyłożonego napięcia (¾;~;udarowe);obecności zanieczyszczeń, wilgoci; podwyższonej temp. Pojawiją się pod wpływem tego jony .
powodujace korozję (SF4,S2F10) gaz cieplarniany, b.drogi i trudny w uzyskiwaniu Próżnia–b.rozrzedzony gaz p10-3Pa; duża wytrz.elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.
6. Prawo Paschen’a Uo=(Bap)/[ln(Aap/Nk)]
U0-nap.początkowe,nap.kryt.rzeskoku
W stałej temp. i parametrach gazu nap. początk. wyładowań jest funkcją a*p. Przy wzroście p, zwiększa się gęstość gazu w danej komorze, tzn. cząstki są bardziej upakowane, więc zmniejsza się też średnia droga swobodna pomiędzy zderzeniami, stąd trzeba zwiększyć napięcie aby mogło dojść do przeskoku. Przy zmniejszaniu ciśnienia p, cząstki się oddalają, zwiększa się średnia droga swobodna oraz prędkość ładunków i ułatwione jest jonizowanie, w ten sposób potrzeba mniejszego napięcia aby spowodować przeskok. Przy przekroczeniu p min przy zmniejszaniu ciśnienia zaczyna brakować cząstek potrzebnych do jonizacji, wobec tego wytrzymałość elektryczna wzrasta. Zatem dla p=0 Uo= ∞ jednak tak nie jest ponieważ z materiału wyrywane są cząstki, które są materiałem do jonizacji.
Nap.przeskoku zależy od:
rodzaju gazu ,gęstości powietrza (p,υ, [oC],[Pa])
współcz korekcyjny uwzgl. gęstość pow. δ= ((273+20)/(273+ υ))*(p/1013) zapylenie przestrzeni międzyelektrodowej
stopień niejednorodności pola rodzaj napięcia (sieciowe, stałe, udarowe) Napięcie stałe i przemienne ma takie same skutki, przy tych samych wartościach, natomiast nap.udarowe jest ok.1000 razy szybsze od półokresu sinusoidy.
Uomin=(B/A)*Nk*e – nap. początkowe min. wyładowań
1) Im bardziej a*p...
damiano_80