Résistance diélectrique

La rigidité diélectrique détermine la capacité d'un diélectrique à supporter une tension électrique qui lui est appliquée. Ainsi, la rigidité diélectrique du diélectrique est comprise comme la valeur moyenne de l'intensité du champ électrique Epr à laquelle un claquage électrique se produit dans le diélectrique.

Le claquage électrique d'un diélectrique est un phénomène d'augmentation brutale de la conductivité électrique d'un matériau donné sous l'action d'une tension qui lui est appliquée, avec formation ultérieure d'un canal plasma conducteur.

Une panne électrique dans des liquides ou des gaz est également appelée décharge électrique. En fait, une telle décharge se forme courant de décharge du condensateurformé par des électrodes auxquelles une tension de claquage est appliquée.

Dans ce contexte, la tension de claquage Upr est la tension à laquelle commence le claquage électrique, et donc la rigidité diélectrique peut être trouvée à l'aide de la formule suivante (où h est l'épaisseur de l'échantillon à décomposer) :

Epr = UNC/h

Bien entendu, la tension de claquage dans un cas particulier est liée à la rigidité diélectrique du diélectrique considéré et dépend de l'épaisseur de l'entrefer entre les électrodes.En conséquence, à mesure que l'espace entre les électrodes augmente, la valeur de la tension de claquage augmente également. Dans les diélectriques liquides et gazeux, le développement de la décharge lors du claquage se produit de différentes manières.

Rigidité diélectrique des diélectriques gazeux

Ionisation - le processus de conversion d'un atome neutre en un ion positif ou négatif.

Dans le processus de rupture d'un grand espace dans un gaz diélectrique, plusieurs étapes se succèdent :

1. Un électron libre apparaît dans l'espace gazeux à la suite de la photoionisation d'une molécule de gaz, directement à partir d'une électrode métallique ou accidentellement.

2. L'électron libre apparaissant dans l'entrefer est accéléré par le champ électrique, l'énergie de l'électron augmente et finit par devenir suffisante pour ioniser un atome neutre lors d'une collision avec lui. C'est-à-dire que l'ionisation par impact se produit.

3. À la suite de nombreuses actions d'ionisation par impact, une avalanche d'électrons se forme et se développe.

4. Un streamer est formé - un canal de plasma formé par les ions positifs laissés après le passage d'une avalanche d'électrons, et les négatifs, qui sont maintenant attirés dans le plasma chargé positivement.

5. Le courant capacitif à travers la flûte provoque une ionisation thermique et la flûte devient conductrice.

6. Lorsque l'espace de décharge est fermé par le canal de décharge, la décharge principale se produit.

Si l'espace de décharge est suffisamment petit, le processus de rupture peut se terminer déjà au stade de la rupture par avalanche ou au stade de la formation de streamers - au stade de l'étincelle.

La rigidité diélectrique des gaz est déterminée par :

• Distance entre les électrodes ;

• Pression dans le gaz à forer ;

• L'affinité des molécules de gaz pour un électron, l'électronégativité d'un gaz.

La relation de pression est expliquée comme suit. Lorsque la pression dans le gaz augmente, les distances entre ses molécules diminuent. Lors de l'accélération, l'électron doit acquérir la même énergie avec un libre parcours beaucoup plus court, ce qui est suffisant pour ioniser un atome.

Cette énergie est déterminée par la vitesse de l'électron lors de la collision, et la vitesse se développe en raison de l'accélération de la force agissant sur l'électron à partir du champ électrique, c'est-à-dire en raison de sa force.

La courbe de Paschen montre la dépendance de la tension de claquage Upr dans le gaz sur le produit de la distance entre les électrodes et la pression - p * h. Par exemple, pour de l'air à p * h = 0,7 Pascal * mètre, la tension de claquage est d'environ 330 volts. L'augmentation de la tension de claquage à gauche de cette valeur est due au fait que la probabilité qu'un électron entre en collision avec une molécule de gaz diminue.

L'affinité électronique est la capacité de certaines molécules neutres et atomes de gaz à attacher des électrons supplémentaires à eux-mêmes et à devenir des ions négatifs. Dans les gaz avec des atomes à haute affinité électronique, dans les gaz électronégatifs, les électrons ont besoin d'une grande énergie d'accélération pour former une avalanche.

On sait que dans des conditions normales, c'est-à-dire à température et pression normales, la rigidité diélectrique de l'air dans un espace de 1 cm est d'environ 3000 V / mm, mais à une pression de 0,3 MPa (3 fois plus que d'habitude) le la rigidité diélectrique du même air devient proche de 10 000 V/mm. Pour le gaz SF6, un gaz électronégatif, la rigidité diélectrique dans des conditions normales est d'environ 8700 V/mm. Et à une pression de 0,3 MPa, il atteint 20 000 V/mm.

Rigidité diélectrique des diélectriques liquides

Quant aux diélectriques liquides, leur rigidité diélectrique n'est pas directement liée à leur structure chimique. Et la principale chose qui affecte le mécanisme de désintégration dans un liquide est l'arrangement très proche, par rapport à un gaz, de ses molécules. L'ionisation par impact, caractéristique des gaz, est impossible dans un diélectrique liquide.

L'énergie d'ionisation par impact est d'environ 5 eV, et si nous exprimons cette énergie comme le produit de l'intensité du champ électrique, de la charge de l'électron et du libre parcours moyen, qui est d'environ 500 nanomètres, puis calculons la rigidité diélectrique à partir de cela, nous obtenir 10 000 000 V/mm , et la vraie rigidité diélectrique pour les liquides varie de 20 000 à 40 000 V/mm.

La rigidité diélectrique des liquides dépend en fait de la quantité de gaz dans ces liquides. De plus, la rigidité diélectrique dépend de l'état des surfaces d'électrodes auxquelles la tension est appliquée. La décomposition en un liquide commence par la décomposition de petites bulles de gaz.

Le gaz a une constante diélectrique beaucoup plus faible, de sorte que la tension dans la bulle s'avère être plus élevée que dans le liquide environnant. Dans ce cas, la rigidité diélectrique du gaz est plus faible. Les décharges de bulles conduisent à la croissance des bulles et finalement la rupture du liquide se produit à la suite de décharges partielles dans les bulles.

Les impuretés jouent un rôle important dans le mécanisme de développement de la panne dans les diélectriques liquides. Considérons, par exemple, l'huile de transformateur. La suie et l'eau en tant qu'impuretés conductrices réduisent la rigidité diélectrique huile de transformateur.

Bien que l'eau ne se mélange généralement pas à l'huile, ses plus petites gouttelettes dans l'huile sous l'action d'un champ électrique se polarisent, forment des circuits avec une conductivité électrique accrue par rapport à l'huile environnante et, par conséquent, une panne d'huile se produit le long du circuit.

Pour déterminer la rigidité diélectrique des liquides dans des conditions de laboratoire, on utilise des électrodes hémisphériques dont le rayon est plusieurs fois supérieur à la distance qui les sépare. Un champ électrique uniforme est créé dans l'espace entre les électrodes. Une distance typique est de 2,5 mm.

Pour l'huile de transformateur, la tension de claquage ne doit pas être inférieure à 50 000 volts, et ses meilleurs échantillons diffèrent par la valeur de tension de claquage de 80 000 volts. En même temps, rappelez-vous que dans la théorie de l'ionisation par impact, cette tension aurait dû être de 2 000 000 à 3 000 000 volts.

Ainsi, pour augmenter la rigidité diélectrique d'un diélectrique liquide, il faut :

• Nettoyez le liquide des particules solides conductrices telles que le charbon, la suie, etc. ;

• Retirer l'eau du fluide diélectrique ;

• Désinfecter le liquide (évacuer);

• Augmentez la pression du fluide.

Rigidité diélectrique des diélectriques solides

La rigidité diélectrique des diélectriques solides est liée au temps pendant lequel la tension de claquage est appliquée. Et en fonction du moment où la tension est appliquée au diélectrique, et des processus physiques qui se produisent à ce moment-là, ils distinguent :

• Panne électrique qui se produit en quelques fractions de secondes après la mise sous tension ;

• Effondrement thermique qui se produit en quelques secondes voire quelques heures ;

• Panne due à des décharges partielles, le temps d'exposition peut être supérieur à un an.

Le mécanisme de claquage d'un diélectrique solide consiste en la destruction de liaisons chimiques dans une substance sous l'action d'une tension appliquée, avec transformation de la substance en plasma. Autrement dit, nous pouvons parler de la proportionnalité entre la résistance électrique d'un diélectrique solide et l'énergie de ses liaisons chimiques.

Les diélectriques solides dépassent souvent la rigidité diélectrique des liquides et des gaz, par exemple, le verre isolant a une rigidité électrique d'environ 70 000 V/mm, le chlorure de polyvinyle — 40 000 V/mm et le polyéthylène — 30 000 V/mm.

La cause du claquage thermique réside dans l'échauffement du diélectrique dû à perte diélectriquelorsque l'énergie de perte de puissance dépasse l'énergie évacuée par le diélectrique.

Lorsque la température augmente, le nombre de porteurs augmente, la conductivité augmente, l'angle de perte augmente, et donc la température augmente encore plus et la rigidité diélectrique diminue. De ce fait, du fait de l'échauffement du diélectrique, la panne qui en résulte se produit à une tension plus faible que sans échauffement, c'est-à-dire si la panne était purement électrique.