Spannungsfestigkeit

Die Spannungsfestigkeit bestimmt die Fähigkeit eines Dielektrikums, einer an es angelegten elektrischen Spannung standzuhalten. Unter der elektrischen Festigkeit des Dielektrikums versteht man also den Mittelwert der elektrischen Feldstärke Epr, bei dem ein elektrischer Durchschlag im Dielektrikum auftritt.

Der elektrische Durchschlag eines Dielektrikums ist ein Phänomen eines starken Anstiegs der elektrischen Leitfähigkeit eines bestimmten Materials unter Einwirkung einer an es angelegten Spannung mit der anschließenden Bildung eines leitfähigen Plasmakanals.

Ein elektrischer Durchschlag in Flüssigkeiten oder Gasen wird auch elektrische Entladung genannt. Tatsächlich entsteht eine solche Entladung Kondensatorentladestromgebildet durch Elektroden, an die eine Durchbruchspannung angelegt wird.

In diesem Zusammenhang ist die Durchschlagsspannung Upr die Spannung, bei der der elektrische Durchschlag beginnt, und daher kann die Durchschlagsfestigkeit mithilfe der folgenden Formel ermittelt werden (wobei h die Dicke der zu zerschlagenden Probe ist):

Epr = UNC/h

Offensichtlich hängt die Durchbruchspannung im Einzelfall von der Spannungsfestigkeit des betrachteten Dielektrikums ab und hängt von der Dicke des Spalts zwischen den Elektroden ab.Dementsprechend steigt mit zunehmendem Abstand zwischen den Elektroden auch der Wert der Durchbruchspannung. In flüssigen und gasförmigen Dielektrika erfolgt die Entstehung der Entladung beim Durchschlag auf unterschiedliche Weise.

Spannungsfestigkeit gasförmiger Dielektrika

Ionisierung – der Prozess der Umwandlung eines neutralen Atoms in ein positives oder negatives Ion.

Beim Aufbrechen einer großen Lücke in einem Gasdielektrikum folgen mehrere Schritte nacheinander:

1. Ein freies Elektron erscheint in der Gaslücke als Folge der Photoionisierung eines Gasmoleküls, direkt von einer Metallelektrode oder zufällig.

2. Das in der Lücke erscheinende freie Elektron wird durch das elektrische Feld beschleunigt, die Energie des Elektrons nimmt zu und reicht schließlich aus, um ein neutrales Atom bei Kollision mit ihm zu ionisieren. Das heißt, es kommt zur Stoßionisation.

3. Als Ergebnis vieler Stoßionisationsaktionen entsteht und entwickelt sich eine Elektronenlawine.

4. Es entsteht ein Streamer – ein Plasmakanal, der aus positiven Ionen, die nach dem Durchgang einer Elektronenlawine zurückbleiben, und negativen Ionen gebildet wird, die nun in das positiv geladene Plasma gezogen werden.

5. Der kapazitive Strom durch den Streamer verursacht thermische Ionisierung und der Streamer wird leitend.

6. Wenn der Entladungsspalt durch den Entladungskanal geschlossen wird, erfolgt die Hauptentladung.

Wenn die Entladungsstrecke klein genug ist, kann der Durchschlagsprozess bereits im Stadium des Lawinendurchbruchs oder im Stadium der Streamerbildung – im Stadium des Funkens – enden.

Die elektrische Stärke von Gasen wird bestimmt durch:

• Abstand zwischen den Elektroden;

• Druck im zu bohrenden Gas;

• Die Affinität von Gasmolekülen zu einem Elektron, die Elektronegativität eines Gases.

Der Druckzusammenhang wird wie folgt erklärt. Mit zunehmendem Druck im Gas verringern sich die Abstände zwischen seinen Molekülen. Bei der Beschleunigung muss das Elektron die gleiche Energie mit einer viel kürzeren freien Weglänge erreichen, die ausreicht, um ein Atom zu ionisieren.

Diese Energie wird durch die Geschwindigkeit des Elektrons während des Stoßes bestimmt und die Geschwindigkeit entsteht durch Beschleunigung aus der Kraft, die aus dem elektrischen Feld auf das Elektron einwirkt, also aufgrund seiner Stärke.

Die Paschen-Kurve zeigt die Abhängigkeit der Durchbruchspannung Upr im Gas vom Produkt aus dem Abstand zwischen den Elektroden und dem Druck — p * h. Beispielsweise beträgt die Durchbruchspannung für Luft bei p * h = 0,7 Pascal * Meter etwa 330 Volt. Der Anstieg der Durchbruchspannung links von diesem Wert ist darauf zurückzuführen, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision eines Elektrons mit einem Gasmolekül abnimmt.

Elektronenaffinität ist die Fähigkeit einiger neutraler Moleküle und Gasatome, zusätzliche Elektronen an sich zu binden und zu negativen Ionen zu werden. In Gasen mit Atomen hoher Elektronenaffinität benötigen die Elektronen in elektronegativen Gasen eine große Beschleunigungsenergie, um eine Lawine zu bilden.

Es ist bekannt, dass unter normalen Bedingungen, das heißt bei normaler Temperatur und normalem Druck, die Spannungsfestigkeit von Luft in einem Spalt von 1 cm etwa 3000 V/mm beträgt, bei einem Druck von 0,3 MPa (dreimal mehr als üblich) jedoch Die Durchschlagsfestigkeit der gleichen Luft erreicht nahezu 10.000 V/mm. Für SF6-Gas, ein elektronegatives Gas, beträgt die Spannungsfestigkeit unter normalen Bedingungen etwa 8700 V/mm. Und bei einem Druck von 0,3 MPa erreicht er 20.000 V/mm.

Spannungsfestigkeit flüssiger Dielektrika

Bei flüssigen Dielektrika steht ihre Durchschlagsfestigkeit nicht in direktem Zusammenhang mit ihrer chemischen Struktur. Und der Hauptfaktor, der den Zerfallsmechanismus einer Flüssigkeit beeinflusst, ist die im Vergleich zu einem Gas sehr enge Anordnung ihrer Moleküle. Die für Gase typische Stoßionisation ist in einem flüssigen Dielektrikum nicht möglich.

Die Stoßionisierungsenergie beträgt etwa 5 eV, und wenn wir diese Energie als Produkt aus der elektrischen Feldstärke, der Elektronenladung und der mittleren freien Weglänge, die etwa 500 Nanometer beträgt, ausdrücken und daraus dann die Durchschlagsfestigkeit berechnen, erhalten wir erhalten Sie 10.000.000 V/mm, und die tatsächliche elektrische Festigkeit für Flüssigkeiten liegt zwischen 20.000 und 40.000 V/mm.

Die Durchschlagsfestigkeit von Flüssigkeiten hängt tatsächlich von der Gasmenge in diesen Flüssigkeiten ab. Außerdem hängt die Spannungsfestigkeit von der Beschaffenheit der Elektrodenoberflächen ab, an die die Spannung angelegt wird. Der Zerfall in eine Flüssigkeit beginnt mit dem Zerfall kleiner Gasbläschen.

Das Gas hat eine viel niedrigere Dielektrizitätskonstante, sodass die Spannung in der Blase höher ausfällt als in der umgebenden Flüssigkeit. In diesem Fall ist die Spannungsfestigkeit des Gases geringer. Blasenentladungen führen zu Blasenwachstum und schließlich zum Aufbrechen der Flüssigkeit als Folge von Teilentladungen in den Blasen.

Verunreinigungen spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Durchschlägen in flüssigen Dielektrika. Denken Sie zum Beispiel an Transformatorenöl. Ruß und Wasser als leitfähige Verunreinigungen verringern die Spannungsfestigkeit Transformatoröl.

Obwohl sich Wasser normalerweise nicht mit Öl vermischt, polarisieren seine kleinsten Tröpfchen im Öl unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, bilden Schaltkreise mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit im Vergleich zum umgebenden Öl, und infolgedessen kommt es entlang des Schaltkreises zu einem Ölabbau.

Zur Bestimmung der Spannungsfestigkeit von Flüssigkeiten unter Laborbedingungen werden halbkugelförmige Elektroden verwendet, deren Radius um ein Vielfaches größer ist als der Abstand zwischen ihnen. Im Spalt zwischen den Elektroden entsteht ein gleichmäßiges elektrisches Feld. Ein typischer Abstand beträgt 2,5 mm.

Bei Transformatorenöl sollte die Durchbruchspannung nicht weniger als 50.000 Volt betragen, und die besten Exemplare unterscheiden sich in der Durchbruchspannung von 80.000 Volt. Bedenken Sie gleichzeitig, dass diese Spannung in der Stoßionisationstheorie 2.000.000 – 3.000.000 Volt hätte betragen müssen.

Um die Durchschlagsfestigkeit eines flüssigen Dielektrikums zu erhöhen, ist es also notwendig:

• Reinigen Sie die Flüssigkeit von festen leitfähigen Partikeln wie Kohle, Ruß usw.;

• Entfernen Sie das Wasser aus der dielektrischen Flüssigkeit.

• Flüssigkeit desinfizieren (evakuieren);

• Flüssigkeitsdruck erhöhen.

Spannungsfestigkeit fester Dielektrika

Die Durchschlagsfestigkeit fester Dielektrika hängt von der Zeit ab, in der die Durchbruchspannung anliegt. Und abhängig vom Zeitpunkt des Anlegens der Spannung an das Dielektrikum und den zu diesem Zeitpunkt ablaufenden physikalischen Prozessen unterscheiden sie:

• Elektrischer Ausfall, der in Bruchteilen von Sekunden nach dem Anlegen der Spannung auftritt;

• Thermischer Kollaps, der innerhalb von Sekunden oder sogar Stunden auftritt;

• Ausfall durch Teilentladungen, Expositionszeit kann mehr als ein Jahr betragen.

Der Mechanismus des Zusammenbruchs eines festen Dielektrikums besteht in der Zerstörung chemischer Bindungen in einem Stoff unter Einwirkung einer angelegten Spannung, wobei der Stoff in ein Plasma umgewandelt wird. Das heißt, wir können über die Proportionalität zwischen der elektrischen Stärke eines festen Dielektrikums und der Energie seiner chemischen Bindungen sprechen.

Feste Dielektrika übertreffen häufig die Durchschlagsfestigkeit von Flüssigkeiten und Gasen. Isolierglas hat beispielsweise eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 70.000 V/mm, Polyvinylchlorid – 40.000 V/mm und Polyethylen – 30.000 V/mm.

Die Ursache des thermischen Durchschlags liegt in der Erwärmung des Dielektrikums dielektrischer Verlustwenn die Verlustenergie die vom Dielektrikum abgeführte Energie übersteigt.

Mit zunehmender Temperatur nimmt die Anzahl der Ladungsträger zu, die Leitfähigkeit nimmt zu, der Verlustwinkel nimmt zu und daher steigt die Temperatur noch mehr und die Durchschlagsfestigkeit nimmt ab. Aufgrund der Erwärmung des Dielektrikums tritt der resultierende Fehler daher bei einer geringeren Spannung auf als ohne Erwärmung, wenn der Fehler also rein elektrischer Natur wäre.