Resistencia dieléctrica

La rigidez dieléctrica determina la capacidad de un dieléctrico para soportar un voltaje eléctrico que se le aplica. Así, la rigidez eléctrica del dieléctrico se entiende como el valor medio de la intensidad del campo eléctrico Epr en el que se produce una ruptura eléctrica en el dieléctrico.

La ruptura eléctrica de un dieléctrico es un fenómeno de fuerte aumento en la conductividad eléctrica de un material dado bajo la acción de un voltaje aplicado al mismo, con la subsiguiente formación de un canal de plasma conductivo.

Una falla eléctrica en líquidos o gases también se denomina descarga eléctrica. De hecho, tal descarga se forma corriente de descarga del condensadorformado por electrodos a los que se les aplica una tensión de ruptura.

En este contexto, la tensión de ruptura Upr es la tensión a la que comienza la ruptura eléctrica, y por lo tanto la rigidez dieléctrica se puede encontrar mediante la siguiente fórmula (donde h es el espesor de la muestra a romper):

Epr = UNC/h

Obviamente, la tensión de ruptura en cualquier caso particular está relacionada con la rigidez dieléctrica del dieléctrico considerado y depende del espesor del espacio entre los electrodos.En consecuencia, a medida que aumenta el espacio entre los electrodos, también aumenta el valor del voltaje de ruptura. En dieléctricos líquidos y gaseosos, el desarrollo de la descarga durante la ruptura ocurre de diferentes maneras.

Rigidez dieléctrica de dieléctricos gaseosos

Ionización: el proceso de convertir un átomo neutro en un ion positivo o negativo.

En el proceso de ruptura de un gran espacio en un dieléctrico de gas, se suceden varias etapas, una tras otra:

1. Aparece un electrón libre en el gas gap como resultado de la fotoionización de una molécula de gas, directamente de un electrodo metálico o accidentalmente.

2. El electrón libre que aparece en el espacio es acelerado por el campo eléctrico, la energía del electrón aumenta y finalmente llega a ser suficiente para ionizar un átomo neutro al colisionar con él. Es decir, se produce la ionización por impacto.

3. Como resultado de muchas acciones de ionización por impacto, se forma y se desarrolla una avalancha de electrones.

4. Se forma una serpentina: un canal de plasma formado por iones positivos que quedan después del paso de una avalancha de electrones y iones negativos, que ahora son atraídos hacia el plasma cargado positivamente.

5. La corriente capacitiva a través del cable causa ionización térmica y el cable se vuelve conductor.

6. Cuando el canal de descarga cierra el espacio de descarga, se produce la descarga principal.

Si el espacio de descarga es lo suficientemente pequeño, entonces el proceso de ruptura ya puede terminar en la etapa de ruptura de la avalancha o en la etapa de formación de la serpentina, en la etapa de la chispa.

La fuerza eléctrica de los gases está determinada por:

• Distancia entre electrodos;

• Presión en el gas a perforar;

• La afinidad de las moléculas de un gas por un electrón, la electronegatividad de un gas.

La relación de presión se explica como sigue. A medida que aumenta la presión en el gas, disminuyen las distancias entre sus moléculas. Durante la aceleración, el electrón debe adquirir la misma energía con un camino libre mucho más corto, suficiente para ionizar un átomo.

Esta energía está determinada por la velocidad del electrón durante la colisión, y la velocidad se desarrolla debido a la aceleración de la fuerza que actúa sobre el electrón del campo eléctrico, es decir, debido a su fuerza.

La curva de Paschen muestra la dependencia del voltaje de ruptura Upr en gas del producto de la distancia entre los electrodos y la presión — p * h. Por ejemplo, para el aire a p * h = 0,7 Pascal * metro, el voltaje de ruptura es de aproximadamente 330 voltios. El aumento del voltaje de ruptura a la izquierda de este valor se debe al hecho de que disminuye la probabilidad de que un electrón choque con una molécula de gas.

La afinidad electrónica es la capacidad de algunas moléculas neutras y átomos de gas para unir electrones adicionales a sí mismos y convertirse en iones negativos. En gases con átomos de alta afinidad electrónica, en gases electronegativos los electrones necesitan una gran energía de aceleración para formar una avalancha.

Se sabe que en condiciones normales, es decir, a temperatura y presión normales, la rigidez dieléctrica del aire en un espacio de 1 cm es de aproximadamente 3000 V/mm, pero a una presión de 0,3 MPa (3 veces más de lo habitual) la La rigidez dieléctrica del mismo aire se acerca a los 10.000 V/mm. Para el gas SF6, un gas electronegativo, la rigidez dieléctrica en condiciones normales es de aproximadamente 8700 V/mm. Y a una presión de 0,3 MPa alcanza los 20.000 V/mm.

Rigidez dieléctrica de los dieléctricos líquidos

En cuanto a los dieléctricos líquidos, su rigidez dieléctrica no está directamente relacionada con su estructura química. Y lo principal que afecta el mecanismo de descomposición en un líquido es la disposición muy cercana, en comparación con un gas, de sus moléculas. La ionización por impacto, característica de los gases, es imposible en un dieléctrico líquido.

La energía de ionización del impacto es de aproximadamente 5 eV, y si expresamos esta energía como el producto de la fuerza del campo eléctrico, la carga del electrón y el camino libre medio, que es de unos 500 nanómetros, y luego calculamos la fuerza dieléctrica a partir de eso, obtenemos obtener 10.000.000 V/mm , y la fuerza eléctrica real para líquidos oscila entre 20.000 y 40.000 V/mm.

La rigidez dieléctrica de los líquidos en realidad depende de la cantidad de gas en esos líquidos. Además, la rigidez dieléctrica depende de la condición de las superficies de los electrodos a las que se aplica el voltaje. La descomposición en líquido comienza con la descomposición de pequeñas burbujas de gas.

El gas tiene una constante dieléctrica mucho más baja, por lo que el voltaje en la burbuja resulta ser más alto que en el líquido circundante. En este caso, la rigidez dieléctrica del gas es menor. Las descargas de burbujas conducen al crecimiento de burbujas y eventualmente se produce la ruptura del líquido como resultado de descargas parciales en las burbujas.

Las impurezas juegan un papel importante en el mecanismo de desarrollo de ruptura en los dieléctricos líquidos. Considere, por ejemplo, el aceite de transformador. El hollín y el agua como impurezas conductoras reducen la rigidez dieléctrica aceite del transformador.

Aunque el agua por lo general no se mezcla con el aceite, sus gotas más pequeñas en el aceite bajo la acción de un campo eléctrico se polarizan, forman circuitos con una mayor conductividad eléctrica en comparación con el aceite circundante y, como resultado, se produce una ruptura del aceite a lo largo del circuito.

Para determinar la rigidez dieléctrica de los líquidos en condiciones de laboratorio, se utilizan electrodos hemisféricos, cuyo radio es varias veces mayor que la distancia entre ellos. Se crea un campo eléctrico uniforme en el espacio entre los electrodos. Una distancia típica es de 2,5 mm.

Para el aceite de transformador, el voltaje de ruptura no debe ser inferior a 50 000 voltios, y sus mejores muestras difieren en el valor de voltaje de ruptura de 80 000 voltios. Al mismo tiempo, recuerde que en la teoría de la ionización por impacto este voltaje debería haber sido de 2.000.000 a 3.000.000 de voltios.

Entonces, para aumentar la rigidez dieléctrica de un dieléctrico líquido, es necesario:

• Limpiar el líquido de partículas conductoras sólidas como carbón, hollín, etc.;

• Retire el agua del fluido dieléctrico;

• Desinfectar el líquido (evacuar);

• Aumente la presión del fluido.

Rigidez dieléctrica de dieléctricos sólidos

La rigidez dieléctrica de los dieléctricos sólidos está relacionada con el tiempo durante el cual se aplica el voltaje de ruptura. Y dependiendo del momento en que se aplica el voltaje al dieléctrico, y de los procesos físicos que ocurren en ese momento, se distinguen:

• Falla eléctrica que ocurre en fracciones de segundos después de que se aplica voltaje;

• Colapso térmico que ocurre en segundos o incluso horas;

• Avería por descargas parciales, el tiempo de exposición puede ser superior a un año.

El mecanismo de ruptura de un dieléctrico sólido consiste en la destrucción de los enlaces químicos de una sustancia bajo la acción de un voltaje aplicado, con la transformación de la sustancia en plasma. Es decir, podemos hablar de la proporcionalidad entre la fuerza eléctrica de un sólido dieléctrico y la energía de sus enlaces químicos.

Los dieléctricos sólidos a menudo exceden la rigidez dieléctrica de los líquidos y gases, por ejemplo, el vidrio aislante tiene una resistencia eléctrica de alrededor de 70 000 V/mm, el cloruro de polivinilo — 40 000 V/mm y el polietileno — 30 000 V/mm.

La causa de la ruptura térmica radica en el calentamiento del dieléctrico debido a pérdida dieléctricacuando la energía de pérdida de potencia excede la energía eliminada por el dieléctrico.

A medida que aumenta la temperatura, aumenta el número de portadores, aumenta la conductividad, aumenta el ángulo de pérdida y, por lo tanto, aumenta aún más la temperatura y disminuye la rigidez dieléctrica. Como resultado, debido al calentamiento del dieléctrico, la falla resultante se produce a un voltaje más bajo que sin calentamiento, es decir, si la falla fuera puramente eléctrica.