Enne dielektrikute lagunemismehhanismide käsitlemist proovime välja selgitada nende materjalide omadused. Elektriisolatsioonimaterjalid on ained, mis võimaldavad isoleerida erineva elektripotentsiaaliga elektriseadmete osi või vooluahela elemente.
Materjalide omadused
Võrreldes juhtivate materjalidega on isolaatoritel oluliselt suurem elektritakistus. Nende materjalide tüüpiline omadus on võimsate elektriväljade loomine ja energia kogunemine. Seda omadust kasutatakse laialdaselt kondensaatorites.
Klassifikatsioon
Agregatsiooni oleku järgi jagunevad kõik elektriisolatsioonimaterjalid vedelateks, gaasilisteks ja tahketeks. Suurim on viimane dielektrikute rühm. Nende hulka kuuluvad plast, keraamika ja kõrge polümeerisisaldusega materjalid.
Sõltuv alt keemilisest koostisest jaotatakse elektriisolatsioonimaterjalid anorgaanilisteks ja orgaanilisteks.
Süsinik toimib orgaaniliste isolaatorite peamise keemilise elemendina. Maksimaalsed temperatuurid taluvadanorgaanilised materjalid: keraamika, vilgukivi.
Sõltuv alt dielektrikute saamise meetodist on tavaks jagada need sünteetilisteks ja looduslikeks (looduslikeks). Igal tüübil on teatud omadused. Praegu on sünteetilised ained suur rühm.
Tahked dielektrilised materjalid jaotatakse täiendav alt eraldi alamkategooriatesse vastav alt materjalide struktuurile, koostisele ja tehnoloogilistele omadustele. Näiteks on olemas vaha-, keraamilised, mineraal-, kileisolaatorid.
Kõiki neid materjale iseloomustab elektrijuhtivus. Aja jooksul näitavad sellised ained vooluväärtuse muutust neeldumisvoolu vähenemise tõttu. Teatud hetkest alates on elektriisolatsioonimaterjalis ainult juhtivusvool, mille väärtusest sõltuvad selle materjali omadused.
Protsessi funktsioonid
Kui elektrivälja tugevus on suurem kui elektritugevuse piir, toimub dielektriline rike. See on selle hävitamise protsess. See toob kaasa selle materjali esialgsete elektriisolatsiooniomaduste kadumise kohas, kus selline materjal puruneb.
Katkestuspinge on väärtus, mille juures toimub dielektriline rike.
Dielektrilist tugevust iseloomustab väljatugevuse väärtus.
Tahkete dielektrikute lagunemine on elektriline või termiline protsess. See põhineb nähtustel, mis põhjustavad väärtuslike tahkete isolatsioonimaterjalide laviini suurenemistelektrivool.
Tahkete dielektrikute lagunemisel on iseloomulikud tunnused:
- juhtivuse väärtuse puudumine või nõrk sõltuvus temperatuurist ja pingest;
- materjali elektritugevus ühtlases väljas, sõltumata kasutatava dielektrimaterjali paksusest;
- mehaanilise tugevuse kitsad piirid;
- esiteks, vool suureneb eksponentsiaalselt ja tahkete dielektrikute purunemisega kaasneb voolu järsk suurenemine;
- mittehomogeenses väljas toimub see protsess maksimaalse väljatugevusega kohas.
Soojuslik rike
Ilmub suurte dielektriliste kadude korral, kui materjali kuumutatakse muude soojusallikatega, kui soojusenergia eemaldatakse halvasti. Sellise dielektriku purunemisega kaasneb elektrivoolu suurenemine takistuse järsu vähenemise tagajärjel piirkonnas, kus soojusjuhtivus on kahjustatud. Sarnast protsessi täheldatakse seni, kuni nõrgestatud kohas toimub dielektriku täielik termiline hävimine. Näiteks algne tahke elektriisolatsioonimaterjal sulab.
Märgid
Dielektrilisel purunemisel on iseloomulikud tunnused:
- esineb kohas, kus soojust keskkonda eemaldatakse halva kvaliteediga;
- läbilöögipinge väheneb ümbritseva õhu temperatuuri tõustes;
- elektritugevus on pöördvõrdeline dielektriku paksusegakiht.
Üldomadused
Iseloomustame peamisi dielektrikute lagunemise liike. Protsessi olemus seisneb elektriisolatsioonimaterjali omaduste kadumises elektrivälja tugevuse kriitilise väärtuse ületamisel. Seda protsessi on mitut tüüpi:
- dielektriku elektriline rike;
- termiline protsess;
- elektrokeemiline vananemine.
Elektriline variant tekib negatiivsete elektronide löökionisatsiooni tulemusena, ilmudes võimsas elektriväljas. Selle protsessiga kaasneb voolutiheduse järsk tõus.
Isolaatoris toimuva soojusprotsessi põhjuseks on süsteemis tekkiva soojushulga suurenemine elektrijuhtivuse mõjul või dielektriliste kadude tagajärjel. Sellise rikke tulemuseks on elektriisolatsioonimaterjali termiline hävimine.
Dielektrikute läbilöögipinge muutumisel toimuvad transformatsioonid elektriisolatsioonimaterjali struktuuris ning muutub ka dielektriku keemiline koostis. Selle tulemusena täheldatakse isolatsioonitakistuse pöördumatut vähenemist. Sel juhul toimub dielektriku elektriline vananemine.
Gaasilises keskkonnas
Kuidas toimub gaasiliste dielektrikute lagunemine? Kosmilise ja radioaktiivse kiirguse tõttu on õhulõhedes vähe laetud osakesi. Väljas toimub negatiivsete elektronide kiirendus, mille tulemusena nad omandavad lisaenergiat, mille väärtus sõltub otseselt väljatugevusest jaosakese keskmine teepikkus enne kokkupõrget. Olulise intensiivsuse väärtuse korral täheldatakse elektronide voolu suurenemist, mis põhjustab pilu purunemise. Seda protsessi mõjutavad mitmed tegurid. Neist kõige olulisem on välja valik. Gaasi elektrilise tugevuse ning rõhu ja temperatuuri vahel on otsene seos.
Vedel keskkond
Vedelate dielektrikute lagunemine on seotud elektriisolatsioonimaterjali puhtusega. Seal on kolm kraadi:
- tahkete mehaaniliste lisandite ja emulsioonivee sisaldus dielektrikus;
- tehniliselt puhas;
- põhjalikult puhastatud ja degaseeritud.
Hoolik alt puhastatud vedelate dielektrikute puhul on rikke elektriline versioon. Vedeliku ja gaasi tiheduse olulise erinevuse tõttu väheneb elektronide tee pikkus, mis toob kaasa läbilöögipinge tõusu.
Kaasaegses elektrienergiatööstuses kasutatakse tehniliselt puhast tüüpi vedelaid dielektrikuid, neis on lubatud vaid väike lisandite olemasolu.
Tuleb arvestada, et isegi minimaalne emulsioonivee kogus vedelas elektriisolatsioonimaterjalis põhjustab tugeva elektritugevuse vähenemise.
Seega on dielektriliste elementide dielektriline tugevus ja lagunemine seotud suurused. Vaatleme lagunemismehhanismi vedelas keskkonnas. Emulsioonivee tilgad polariseeritakse elektriväljas, seejärel langevad nad polaarelektroodide vahele. Siin nad deformeeruvad, liidetakse ja moodustuvad sillad,väikese elektritakistusega. Nende peal toimub test. Sildade ilmumine vähendab oluliselt õli tugevust.
Elektriisolatsioonimaterjalide omadused
Tahkete dielektrikute lagunemise tüübid on leidnud oma rakenduse tänapäevases elektrotehnikas.
Praegu tehnoloogias kasutatavate vedelate ja poolvedelate dielektriliste materjalide hulgas on trafo- ja kondensaatoriõlid, samuti sünteetilised vedelikud: sovtol, sovol.
Mineraalõlid saadakse toornafta fraktsioneeriva destilleerimise teel. Erinevate tüüpide vahel on erinevusi viskoossuses ja elektrilistes omadustes.
Näiteks kaabli- ja kondensaatoriõlid on kõrgelt rafineeritud, seega on neil suurepärased dielektrilised omadused. Mittesüttivad sünteetilised vedelikud on sovtol ja sovol. Esimese saamiseks viiakse läbi kristallilise difenüüli kloorimisreaktsioon. See läbipaistev viskoosne vedelik on mürgine ja võib ärritada limaskesta, seetõttu tuleb sellise dielektrikuga töötamisel hoolik alt järgida ettevaatusabinõusid.
Sovtol on triklorobenseeni ja sovol segu, seega iseloomustab seda elektriisolatsioonimaterjali madalam viskoossus.
Mõlemat sünteetilisi vedelikke kasutatakse tööstuslikesse vahelduv- ja alalisvooluseadmetesse paigaldatud kaasaegsete paberkondensaatorite immutamiseks.
Orgaanilinekõrgpolümeersed dielektrilised materjalid koosnevad paljudest monomeerimolekulidest. Merevaik, looduslik kautšuk, on kõrgete dielektriliste omadustega.
Vahajatel materjalidel, nagu tseresiin ja parafiin, on selge sulamistemperatuur. Sellistel dielektrikutel on polükristalliline struktuur.
Kaasaegses elektrotehnikas on plastmaterjalid, mis on komposiitmaterjalid, nõutud. Need sisaldavad polümeere, vaiku, värvaineid, stabiliseerivaid aineid, aga ka plastifitseerivaid komponente. Vastav alt nende suhtele soojusega jaotatakse need termoplastilisteks ja termoreaktiivseteks materjalideks.
Õhus töötamiseks kasutatakse elektripappi, mis on tavapärase materjaliga võrreldes tihedama struktuuriga.
Dielektriliste omadustega kihiliste elektriisolatsioonimaterjalide hulgast tõstame esile tekstoliidi, getinaksi, klaaskiud. Need laminaadid, mis kasutavad sideainena silikoon- või resoolvaiku, on suurepärased dielektrikud.
Nähtuse põhjused
Dielektrikute lagunemisel on mitu põhjust. Seetõttu pole siiani olemas universaalset teooriat, mis seda füüsikalist protsessi täielikult seletaks. Olenemata isolatsioonivalikust moodustub rikke korral erijuhtivusega kanal, mille suurus põhjustab selles elektriseadmes lühise. Millised on sellise protsessi tagajärjed? Hädaolukorra tekkimise tõenäosus on suur, mille tagajärjelelektriseade võetakse kasutusest välja.
Sõltuv alt isolatsioonisüsteemist võib rike avalduda erinev alt. Tahkete dielektrikute puhul säilitab kanal märkimisväärse juhtivuse isegi pärast voolu väljalülitamist. Gaasilisi ja vedelaid elektriisolatsioonimaterjale iseloomustab laetud elektronide suur liikuvus. Seetõttu toimub rikkekanali hetkeline taastumine pinge muutumise tõttu.
Vedelates põhjustavad rikkeid erinevad protsessid. Esiteks tekivad elektroodidevahelises ruumis optilised ebahomogeensused, nendes kohtades kaotab vedelik läbipaistvuse. A. Gemanti teooria käsitleb vedela dielektriku lagunemist emulsioonina. Teadlaste tehtud arvutuste kohaselt on niiskuse tilgad elektrivälja toimel pikliku dipooli kujul. Suure väljatugevuse korral need ühinevad, mis aitab kaasa tühjenemisele moodustunud kanalis.
Arvukate katsete läbiviimisel leiti, et kui vedelikus on gaas, siis pinge järsu tõusuga tekivad enne purunemist mullid. Samal ajal väheneb selliste vedelike läbilöögipinge rõhu langedes või temperatuuri tõustes.
Järeldus
Kaasaegsed dielektrilised materjalid paranevad elektritööstuse arenedes. Praegu on erinevat tüüpi dielektrikute loomise tehnoloogiat niivõrd moderniseeritud, et on võimalik luua odavaid ja suure jõudlusega dielektrikuid.
SealKõige nõutumad ja vastavate omadustega materjalid pakuvad erilist huvi klaasi ja klaasemailide jaoks. Paigaldus, leeliseline, lamp, kondensaator, muud selle materjali tüübid on amorfse struktuuriga ained. Kui segule lisada k altsium- ja alumiiniumoksiide, on võimalik parandada materjali dielektrilisi omadusi ja vähendada purunemise tõenäosust.
Klaasiemailid on materjalid, mille metallpinnale sadestub õhuke klaasikiht. See tehnoloogia pakub usaldusväärset kaitset korrosiooni eest.
Kaasaegses tehnoloogias kasutatakse laialdaselt kõiki elektriisolatsiooniomadustega materjale. Kui dielektriku purunemine õigel ajal ära hoitakse, on täiesti võimalik vältida kallite seadmete kahjustamist.
