- Какво е диелектрична якост?
- Причини за намаляване на диелектричната якост
- Методи за контрол
- Примери за изчисление
- Литература
Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Преносът на електрическа енергия на всяко разстояние се осъществява чрез метални проводници, които трябва да бъдат разделени с диелектрик. Качеството на изолацията до голяма степен определя не само ефективността на енергийната система, но и безопасността на хората. С течение на времето обаче техническите характеристики на диелектрика се губят, поради което всички устройства трябва периодично да проверяват диелектричната якост на изолацията.
Електрическото стареене може да се ускори поради редица фактори, за да ги разберем, ще разгледаме по-отблизо структурата и физическите процеси, протичащи в диелектричните материали.
Какво е диелектрична якост?
Диелектричната якост за всяка изолация трябва да се разбира като такава минимална потенциална разлика, приложена към единица дебелина, при която започват да се появяват разряди. Електрическата якост е нелинейна функция, чиято промяна зависи от следните фактори:
- Дебелини на изолацията;
- Диелектрична константа;
- Температури както на околното пространство, така и на самата изолация;
- Тип диелектрик;
- Тип на приложеното напрежение (AC или DC).
Така можем да кажем, че здравината на изолацията определя пробивното напрежение. На практика за всеки материал този параметър се изчислява емпирично след множество тестове.
Ориз. 1. Ефект на напрежението върху диелектрик
Стойността се измерва като V/mm или kV/cm и т.н., например сухият въздух има средно 32kV/cm.
Въпреки това, здравината на изолацията ще зависи и от агрегатното състояние на материала:
- Твърди диелектрици - най-разпространени в кабелни и жични продукти, предназначени за производство на изолация на жила, кутии за инструменти, уплътнения и др. След повреда или микроповреда изолацията се разрушава, образуват се канали, през които ще настъпи повторно повреда вече при по-ниско напрежение.
- Течни диелектрици - най-често срещаният вариант е трансформаторно масло, използвано в трансформатори, ключове, кабели за високо напрежение. Благодарение на подвижната структура те имат способността да се възстановяват, благодарение на което се проявяват перфектно в същите маслени прекъсвачи, където изолацията едновременно гаси дъгата и след това се възстановява.
- Газова изолация - Въздухът се използва около намотките на трансформатор или друг електрически апарат, същото може да се каже за някои видове прекъсвачи за високо напрежение.Но съвременните уреди често използват SF6 или азот. Газовете също се възстановяват лесно след повреда.
Физически, електрическата якост на диелектриците се осигурява от липсата на свободни носители на заряд в материала. Диелектричните молекули задържат електрони в екстремни орбити толкова здраво, че дори приложено напрежение не може да ги извади от техните орбити. Разбира се, ако разгледаме идеалния вариант - разположението на материала между две плочи, които са под напрежение, тогава той няма да тече през него. Всички атоми обаче ще получат допълнителна енергия, което ще създаде по-голяма сила на електрическото поле, както в цялата твърда изолация, така и във всеки отделен атом.
Но ако между горните плочи не се постави едно парче диелектрик, а две от различни материали или половината от въздуха, а втората от пластмаса, тогава силата на електрическото поле в тези материали ще се различава поради фактът, че те имат различна диелектрична константа.Това е един от най-важните фактори за намаляване на диелектричната якост.
Причини за намаляване на диелектричната якост
Най-силно влияние върху състоянието на изолацията оказва подаването на променливо напрежение и температурни скокове до граничните стандарти и над тях. Температурните колебания в по-голяма степен ускоряват движението на атомните частици, което увеличава проводимостта на изолацията и съответно намалява нейната диелектрична якост. Понижаването на температурата има обратен ефект - отнема повече енергия на атомите, за да освободят електроните или йоните в дебелината на диелектрика.
Променливото напрежение създава поляризация на частици, които променят посоката си 100 пъти в секунда. За материали с висока степен на чистота този фактор не представлява голяма заплаха, но всички включвания на чужди вещества се държат по различен начин. Поради нехомогенността на полето, по време на прехода от изолация към включване, настъпва промяна във физическите параметри на електрическите величини.С течение на времето включванията се разширяват и достигат размера на микропукнатини, което води до стареене на изолацията.
Крайният резултат от намалената якост на изолацията е електрически пробив, който може да доведе до разрушаване на диелектрика и повреда на свързаното оборудване.
По външен вид се делят на:
- Електрически - среща се в твърди изолационни материали, характеризиращ се с лавинообразен процес, при който естествените връзки в атома се разкъсват;
- Топлинно бягство - възниква, когато изолацията получава повече топлинна енергия, отколкото може да понесе. Възниква в резултат на размекване, което води до деформация и намаляване на дебелината на материала;
- Електромеханичен - типичен за крехка изолация (порцелан, керамика), където вътрешните разряди водят до механични повреди;
- Електрохимичен - причинява се от промяна в химичния състав на изолацията. Най-често в резултат на стареене, понякога поради дифузия на металния проводник в порите на диелектрика, което намалява диелектричната якост;
- Йонизация - присъща на тези диелектрици, където са присъщи газови включвания или други нехомогенности, в които частиците са йонизирани.
На практика горните видове най-често се допълват взаимно, така че диелектричната якост не намалява веднага, а със стареенето.
Ориз. 2. Зависимост на видовете повреда
Методи за контрол
Мониторингът на състоянието и диелектричната якост ви позволява своевременно да откриете дефекти или стареене на диелектрика в намотките на силови трансформатори, втулки и опорни изолатори, втулки за високо напрежение, захранващи кабели и други видове оборудване. Благодарение на това устройствата могат да бъдат сменени или ремонтирани, изолационната среда може да бъде изсушена или може да се монтира нова намотка. Съвременните тестери за диелектрична якост могат да използват различни техники.
Най-популярните са:
- Измерване на изолационното съпротивление - извършва се с помощта на мегаомметър с напрежение 500, 1000 или 2500V, в зависимост от мощността на изпитвания уред. Продължителността и нормите се регулират от Приложение 3 PTEEP, напрежението се прилага към вътрешната изолация и се измерва съпротивлението.
- Изпитване с повишено напрежение - извършва се чрез подаване на повишено напрежение към външната изолация, устройството или част от него през тестовия трансформатор на кенотронната инсталация. Тази процедура е временна, а в някои случаи и импулсна по природа, технологията и стандартите за изпитвателно напрежение се регулират от GOST 246060.1-81, както и от по-модерния GOST R55195-2012 за различни видове оборудване, хартиена изолация и други.
- Измерване на ъгъла на диелектрични загуби - в идеалния диелектрик този параметър трябва да е равен на 0, но колкото по-ниска е диелектричната якост, толкова по-голяма е загубата на изолация. Има разлика между активните и реактивните компоненти на променливия ток, поради което tg δ се увеличава, както е показано на фигурата по-долу:
Ориз. 3. Тангенс на диелектричните загуби
Примери за изчисление
За да изчислите диелектричната якост на всеки диелектрик, трябва да знаете работните условия и геометричните параметри, които след това се сравняват с табличните данни. Например, ако имате междина от 2 см въздушен диелектрик, към който ще бъде приложено напрежение от 20 kV.
След това изчислете силата на електромагнитното поле по формулата:
E=U/d;
където E е напрегнатостта на полето, U е напрежението в електрическата верига, d е дебелината на изолационния слой.
Ориз. 4. Пример за изчисление
Тогава интензитетът за този пример ще бъде E=20/2=10 kV/cm. След това сравняваме получената стойност с електрическата якост на въздуха от таблицата по-долу:
Таблица: Електрическа якост на материалите
| Име на диелектрика | Диелектрична якост, kV/cm |
| Суха кабелна хартия | 60 - 90 |
| Омаслена хартия | 100 - 250 |
| Въздух | 30 |
| Трансформаторно масло | 50 - 180 |
| Миканит | 150 - 300 |
| Мрамор | 35 - 55 |
| парафин | 150 - 300 |
| Сух електрически картон | 80 - 100 |
| Електрически картон, напоен с масло | 120 - 170 |
| Московска слюда | 1200 - 2000 |
| Слюда флогопит | 600 - 1250 |
| Стъкло | 100 - 400 |
| фибри | 40 - 110 |
| порцелан | 180 - 250 |
| Шифер | 15 - 30 |
| Ебонит | 80 - 100 |
От таблицата виждаме, че пробивът на въздуха може да започне при 30 kV/cm, в нашите изчисления стойността беше 10 kV/cm, което означава, че изолацията нормално ще издържи на този режим на работа.
Литература
- Основи на кабелната техника/ изд. И.Б. Пешков. - М.: Издателски център "Академия" , 2006. - 432 стр.
- Физика на диелектриците. Г. А. Воробьов, Ю. П. Похолков, Ю. Д. Королев. Учебници на Томския политехнически университет. 2003
- Технология за високо напрежение (изолация и пренапрежение). КАТО. Краско, Е.Г. Пономаренко. Лекционен курс. Част 1. БНТУ. 2012