POLITECHNIKA ŚWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Część I
Wytrzymałość elektryczna
Wykład 5
6. Dielektryki rzeczywiste
7. Starzenie izolacji
8. Przebicie dielektryków stałych
9. Przebicie dielektryków ciekłych
6. Dielektryki rzeczywiste
6.1. Mechanizmy polaryzacji
O podatności dielektryka na polaryzację mówi stosunek gęstości ładunku związanego do
swobodnego nazywany podatnością dielektryczną ośrodka k�.
P P
k� =� =�
D0 e0E
Wzór D = e0��E + P
można więc napisać w postaci e e0E = e0E + k�e0E
skąd otrzymujemy k� = e  1
Polaryzacja elektronowa występuje gdy przyłożone pole Polaryzacja atomowa (jonowa) występuje w
elektryczne powoduje przesunięcie powłok elektronowych materiałach których cząstki zbudowane są z niejednako-
względem dodatnich jąder.  Środki ciężkości ładunków nie wych atomów i chmury elektronowe jednych atomów są
pokrywają się i powstaje indukowany moment dipolowy. przesunięte w kierunku drugich silniej je wiążących.
Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10 15 �� 10 13 s zależnie od Atomy w takiej cząsteczce posiadają przewagę ładunków
rodzaju dielektryka. Nie pociąga za sobą strat energii i nazy-  jedne dodatnich, drugie  ujemnych. Przesunięcie tych
wana jest polaryzacją deformacyjną. Wywołany przez nią wypadkowych ładunków względem siebie stanowi istotę
prąd elektryczny jest czysto pojemnościowy. Polaryzacja ta tej polaryzacji. Niezależnie od tej polaryzacji skręcanie
występuje w materiałach o cząsteczkach symetrycznych. powstałych w ten sposób dipoli w kierunku pola jest
Przenikalność dielektryczna względna dielektryków z
ródłem polaryzacji dipolowej. Polaryzacja atomowa jest
charakteryzujących się występowaniem tego mechanizmu również polaryzacją deformacyjną odbywającą się bez
polaryzacji e = 2 �� 4. Przedstawiciele: polistyren, polietylen, strat. Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10 14 �� 10 12 s.
olej mineralny, policzterofluoroetylen, parafina. Przenikalności elektryczne względne dielektryków
charakteryzujących się występowaniem tej polaryzacji
wynoszą e = 4 �� 12. Przedstawiciele: szkło, mika,
materiały ceramiczne, kwarc.
Polaryzacja dipolowa. Asymetryczny rozkład ładun- Polaryzacja ładunku przestrzennego. Polaryzacja ta
ków pomiędzy niejednakowymi atomami jest z
ródłem wynika z ruchu nośników elektryczności które mogą się prze-
trwałych momentów dipoli istniejących także w nieobec- suwać w dielektryku na pewnych odległościach. Ruch nośników
ności zewnętrznego pola elektrycznego. Ponieważ są one jest hamowany powodując, że ładunki nie mogą być swobodnie
zorientowane w różnych kierunkach ich moment wypad- zobojętniane na elektrodach. Powstaje ładunek przestrzenny
kowy jest na ogół bliski zeru. Pod wpływem przyłożone- powodujący zniekształcenie pola przejawiające się we wzroście
go pola zewnętrznego na dipole działają momenty sił pojemności materiału. Polaryzacja ładunku przestrzennego na-
dążące do zgodnego z polem ich ustawienia. leży do grupy mechanizmów polaryzacji określanych jedną
Polaryzacja dipolowa, zwana też polaryzacją orientacji, nazwą  polaryzacja makroskopowa. Istotą tych polaryzacji jest
jest polaryzacją stratną  zachodzi w czasie 10 10 ��10 2s. przesuwanie się ładunków na pewnych odcinkach wewnątrz
Obroty dipoli związane są z pokonywaniem oporów materiału izolacyjnego. Odmianami tej polaryzacji są np: pola-
ośrodka  występuje więc rozpraszanie energii. ryzacja wysokonapięciowa (jest funkcją napięcia), polaryzacja
Przenikalność elektryczna wynosi: e = 3 �� 6. strukturalna, polaryzacja warstwowa.
Przedstawiciele: guma wulkanizowana, bakelit, Czas zachodzenia polaryzacji (w zależności od struktury mate-
polichlorek winylu. riału i mechanizmu związanego z ruchem ładunku) wynosi od
ułamków sekund (10 3 s) do minut a nawet godzin.
Przedstawicielami materiałów
charakteryzujących się występo-
E
E
waniem polaryzacji makroskopo-
wej są dielektryki niejednorodne
(np. izolacja papierowo-olejowa)
oraz dielektryki z dużą ilością
Polaryzacja atomowa
jonów swobodnych (np. polime-
Polaryzacja elektronowa
E
takrylan metylu).
E
Rys. 6.1. Ilustracja graficzna róż-
nych mechanizmów pola-
Polaryzacja dipolowa
Polaryzacja ładunku przestrzennego
ryzacji
e
'
elektronowa
Zazwyczaj w materiałach izolacyjnych
atomowa
występuje wypadkowe działanie kilku
dipolowa
makroskopowa
rodzajów polaryzacji. Mechanizmy pola-
ryzacji charakteryzuje częstotliwość drgań
własnych powyżej której polaryzacja nie
nadąża za zmianami pola przyłożonego.
Te charakterystyczne częstotliwości to:
częstotliwości rezonansowe (polaryzacje
1
bezstratne) oraz częstotliwości relaksacyj-
log(f )
ne (polaryzacje stratne).
2 4 6 8 10 12 14 16
d�
tg
Jeżeli częstotliwość przyłożonego pola
będzie równa częstotliwości rezonansowej
bądz
relaksacyjnej wystąpi silne pochła-
nianie energii objawiające się występowa-
log(f )
niem w pobliżu tej częstotliwości ekstre-
1 2 3 4
log(f ) log(f ) log(f ) log(f )
mum współczynnika strat dielektrycznych
tgd�.
Rys. 6.2. Występowanie mechanizmów polaryzacji w zależnoś-
ci od częstotliwości zewnętrznego pola elektrycznego
P +� P +� P +� P
e a d m
Przenikalność dielektryczna względna ośrodka die-
k� =� =� k�e +�k�a +�k�d +�k�m
D
0
lektrycznego jest sumą podatności dielektrycznych na
różne rodzaje polaryzacji zwiększoną o 1
e' =� 1+�k�e +�k�a +�k�d +�k�m
6.2. Schematy zastępcze dielektryków
Przy polaryzacjach stratnych wielkość ładunku polaryzacyjnego będzie zależeć od częstotliwości przyło-
żonego pola, zatem również od częstotliwości będzie zależeć przenikalność dielektryczna a więc i pojem-
ność a także tgd�.
Przy niewielkich częstotli-
I'
a I
R
a) b)
C
g
I
C wościach przyłożonego pola
wpływ wolniejszych rodza-
I
a
I"
a
R
I I
R
jów polaryzacji powoduje
wzrost pojemności układu do
I
C
a
R
a
I
a
wartości zwanej pojemnością
fizyczną. Różnica pojemnoś-
I
C
ci fizycznej i geometrycznej
d�
u
U
określa pojemność absorp-
cyjną reprezentującą polary-
zacje stratne.
Rys. 6.3. Schemat zastępczy dielektryku (a) oraz wykres wektorowy prądów
Ca = Cf -� Cg .
(b) dla przypadku występowania jednego mechanizmu polaryzacji
stratnej: Cg - pojemność geometryczna, R - rezystancja skrośna,
Ca - pojemność absorpcyjna, Ra rezystancja absorpcyjna.
Przy napięciu sinusoidalnie zmiennym proces ładowania i rozładowania powtarza
się okresowo. Prąd ładowania IC wyprzedza wektor napięcia o 90��. Prąd upływu
IR +� Iacz
jest zgodny w fazie z napięciem, ale prąd związany z polaryzacją stratną ma zarów- tg d� =�
IC +� Iab
no składową czynną jak i bierną
i
Po przyłożeniu do układu napięcia stałego
płynie przez izolację prąd zawierający trzy
i
C
i
składowe: prąd pojemnościowy iC, prąd C
ia
absorpcji ia oraz prąd upływu iR
i
i
R
ia
i
R
Przy krótkotrwałym zwarciu układu pojem-
t
ność Ca nie zdąży się rozładować. Po usunię-
ciu zwarciu nastąpi ładowanie pojemności Cg
poprzez rezystor Ra i wyrównanie się napięć
na obu pojemnościach - pojawia się na Rys. 6.4. Przebiegi prądów w dielektryku po przyłożeniu
zaciskach układu napięcie zwane napięciem napięcia stałego: iC - prąd pojemnościowy,
powrotnym. ia - prąd absorpcji, iR - prąd upływu, i - prąd
sumaryczny.
Rys. 6.5. Przebieg napięcia na kondensa-
u
torze z dielektrykiem papierowo-
olejowym w cyklu: ładowanie
(napięcie stałe) - odłączenie z
ró-
napięcie powrotne
dła napięcia - zwarcie - usunię-
cie zwarcia:
t
t1 - czas ładowania,
t2 - czas zwarcia,
t t t
1 2 3
t3 - stan rozwarcia
W przypadku występowania kilku mechanizmów polaryzacji schemat zastępczy powinien
zawierać gałęzie związane z tymi polaryzacjami.
3 4
C C
1 2
C C
3 4
L L
g
C
u
R
2
R
1
R
3 4
R R
Rys. 6.6. Schemat zastępczy dielektryka: Cg - pojemność geometryczna,
Ru - rezystancja upływu, C1R1, C2R2 - gałęzie związane z pola-
ryzacjami stratnymi, C3L3R3, C4R4L4 - gałęzie związane z po-
laryzacjami bezstratnymi
7. Starzenie izolacji
Trzy podstawowe mechanizmy starzenia się izolacji:
a) starzenie cieplne,
b) starzenie elektrochemiczne,
c) starzenie jonizacyjne.
Tabela 7.1. Mechanizmy starzenia się izolacji. t - czas życia, q� - temperatura
Mechanizm cieplny elektrochemiczny jonizacyjny
Przyczyna oddziaływanie zanieczyszczenia i wilgoć wyładowania niezu-
starzenia temperatury (zjawisko elektrolizy) pełne (wnz)
Czynniki temperatura,
wilgoć, tlen wilgoć, temperatura
przyśpieszające naprężenie dielektryczne
Krzywe t= f (n)
t = f (E) dla q� =const.
t = f (q�)
życia n - intensywność wnz
t = f (q�) dla E = const.
Czas życia izolacji jest to czas, po którym wartość wielkości przyjętej do oceny stanu
zestarzenia izolacji zmaleje do poziomu umownie uznanego za krytyczny. Poziom ten
stanowi kryterium zestarzenia się izolacji.
Oceny długości życia izolacji dokonuje się na podstawie krzywych życia.
Krzywa życia to zależność czasu życia od intensywności narażeń przyjętych jako
główna przyczyna procesu starzenia.
7.1. Starzenie cieplne
Starzenie cieplne spowodowane jest długotrwałym działaniem temperatury na dielektryk.
Wielkością fizyczną służącą do określenia kryterium zużycia się izolacji włóknistej (np.
papierowo-olejowej) stała się wytrzymałość mechaniczna na rozerwanie Rr . Izolację
uważa się za zużytą gdy jej wytrzymałość mechaniczna na rozerwanie zmniejszy się
dwukrotnie.
Obniżenie się wytrzymałości izolacji papierowej na rozerwanie związane jest z depolimery-
zacją celulozy. Dlatego, bardziej współcześnie, za podstawę oceny stopnia zestarzenia się tej
izolacji przyjmuje się stopień polimeryzacji celulozy. Jest to średnia liczba pierścieni
glukozy w łańcuchu celulozy. Dla papieru nie zestarzonego n � 1500, dla zestarzonego
n � 150.
Podstawę zależności czasu życia izolacji od temperatury stanowi prawo Arrheniusa mówiące
o wykładniczej zależności szybkości reakcji chemicznych od temperatury.
Wzór Montsingera, oparty o to prawo, ma dla izolacji włóknistej postać:
t =� A��e-� mq�
gdzie: A i m - współczynniki charakteryzujące materiał włóknisty, t - czas życia w temperaturze q�.
Przy wzroście temperatury o D�q� czas życia izolacji wyniesie
t' =� A��e-� m(q� +� D�q� )
Zakładając, że wzrost temperatury
o D�q� powoduje dwukrotne
21
skrócenie czasu życia izolacji,
otrzymujemy:
14
t
=� emD�q� =� 2
t'
7
Po zlogarytmowaniu stronami
otrzymujemy:
0
ln 2 =� mD�q�
89 97 105 113 121
Temperatura q�, ��C
Znając stałą Montsingera  m dla
danego materiału można
Rys. 7.1. Zależność czasu życia izolacji papierowej od tempe-
obliczyć D�q�
ratury wg Montsingera
Przy współczynniku m = 0,0866 (stała Montsingera) przyrost temperatury powodujący
dwukrotne skrócenie czasu życia izolacji D�q� = 8��C. Badania Montsingera dotyczyły
wąskiego zakresu temperatur (90 �� 135)��C.
Czas życia t, lata
7.2. Starzenie elektrochemiczne
Starzenie elektrochemiczne występuje przede wszystkim przy napięciu stałym
i wolnozmiennym - podstawą starzenia jest zjawisko elektrolizy. Prąd upływu ma charakter
elektrolityczny i jest związany z przenoszeniem jonów. Jony niemetaliczne po dojściu do
elektrod i rozładowaniu mogą tworzyć czynne substancje łączące się z dielektrykiem natomiast
jony metaliczne po neutralizacji na elektrodach mogą wnikać w głąb dielektryku tworząc
niekiedy drogi przewodzące zwane dendrytami. Zewnętrznym objawem starzenia się jest
wzrost przewodności dielektryku.
Przyczyną występowania tej formy starzenia w izolacji papierowo-olejowej jest wilgoć,
nawet śladowa, występująca nawet w dobrze wysuszonym papierze oraz zanieczyszczenia
dysocjujące (np. kalafonia). Dysocjacja zanieczyszczeń jest tym większa im większą
przenikalność ma rozpuszczający je ośrodek.
Krzywe życia to zależność czasu życia od natężenia pola elektrycznego oraz temperatury
(przy zało-żeniu istnienia tylko procesów starzenia elektrochemicznego).
Szybkość starzenia elektrochemicznego wzrasta dwukrotnie przy wzroście temperatury
o 10 ��C (związek ten odpowiada również prawu Arrheniusa).
q�2 -�q�1
k
t1 =� t2 ��b
gdzie: b i k - stałe zależne od rodzaju izolacji (dla izolacji papierowo-olejowej b = 2, k = 10),
t1 - czas życia w temperaturze q�1,
t2 - czas życia w temperaturze q�2.
7.3. Starzenie jonizacyjne
Starzenie jonizacyjne wywołane wyładowaniami niezupełnymi występuje głównie przy
napięciu przemiennym. W układach najwyższych napięć są często głównym czynnikiem
decydującym o czasie życia układu izolacyjnego. Wyładowania niezupełne powstają najczęściej
w wolnych przestrzeniach gazowych zamkniętych wewnątrz dielektryku lub w syciwie.
Wyładowania te powodują: rozkład syciwa (nowe pęcherzyki gazowe), lokalne wzrosty
temperatury, erozję. Wtrąciny gazowe w izolacji powstają tym łatwiej im większa jest
temperatura pracy i im większa wilgoć zawarta w izolacji.
Wyładowania niezupełne mogą rozwijać się również wzdłuż powierzchni dielektryku drążąc
w głąb izolacji kanaliki lub pozostawiając za sobą ścieżki przewodzące. Okres starzenia
jonizacyjnego może być bardzo krótki w przypadku przekroczenia napięcia początkowego
jonizacji (Uj). Występuje wtedy starzenie związane z erozją materiału przechodzącą
w drzewienie prowadzące w krótkim czasie do przebicia izolacji.
Przy starzeniu bezerozyjnym występującym do czasu zainicjowania rozwoju kanału, występuje
zależność tego czasu od natężenia pola elektrycznego w postaci
t =� C �� E-�n
gdzie: t - czas do zainicjowania kanału drążącego dielektryk, C i n - współczynniki zależne od rodzaju
materiału dielektryka i warunków starzenia.
8. Przebicie dielektryków stałych
Z napięciem przebicia wiąże się
czas do przebicia. Na krótki ok.-
Przebiciem dielektryku nazywamy zniszczenie jego włas-
res czasu (< 1m�s) można przy-
ności izolacyjnych pod wpływem działania zewnętrznego
łożyć bardzo wysokie napięcie,
pola elektrycznego.
przy niższym napięciu rozwój
przebicia jest dłuższy.
W obszarze czasów przyłożenia
napięcia, rzędu kilku mikrose-
Up
kund, widać wyraz
ny wpływ cza-
kV
su przyłożenia napięcia na wy-
trzymałość elektryczną. Mówimy
wtedy o mechaniz
mie elektrycz-
nym  procesy cieplne przebicia
nie zdążą wystąpić. W pewnym
przedziale czasowym występuje
niezależność napięcia przeskoku
od czasu. Czas jest dłuższy od
t wymaganego przy przebiciu elek-
trycznym, ale za krótki dla rozwo-
s
ju przebicia cieplnego. Dla dłuż-
szych czasów wytrzymałość elek-
Rys. 8.1. Zależność napięcia przebicia od czasu przyłożenia napięcia
tryczna zaczyna maleć, możliwy
jest rozwój przebicia cieplnego.
Mechanizmy przebicia:
a) elektryczny (t < 1s),
b) cieplny (t = 1�104s),
c) jonizacyjny (stopniowa degradacja spowodowana przez wnz),
d) elektromechaniczny (t<1s - spowodowany przez siły przyciągające elektrody).
8.1. Mechanizm elektryczny przebicia
Mechanizm elektryczny ma miejsce przy bardzo krótkich czasach przyłożenia napięcia,
zachodzi np. przy napięciach piorunowych. Wpływ na wytrzymałość elektryczną mają:
 rodzaj przyłożonego napięcia (zmienność w czasie),
 stopień niejednorodności pola,
 struktura materiału izolacyjnego.
W przypadku dielektryków czystych i jednorodnych przebicie związane jest z ich budową
chemiczną - zależy tylko od właściwości materiału i temperatury. Potrzebne jest bardzo silne pole
do przedostania się elektronu do pasma przewodnictwa i osiągnięcia stanu jonizacji
zderzeniowej. Wskutek zderzeń elektronów z jonami siatki krystalicznej występuje zrywanie
wiązań chemicznych. Wytrzymałość elektryczna materiału, związana z takim mechanizmem
przebicia, nazywana jest wytrzymałością istotną dielektryku. Istnieją metody obliczania
wytrzymałości istotnej na drodze teoretycznej.
W praktyce wytrzymałość materiałów jest wielokrotnie niższa.
Tabela 8.1. Wytrzymałości elektryczne wybranych materiałów
Wytrzymałość praktyczna Wytrzymałość istotna
Materiał
kV/cm kV/cm
mika 500 � 2000 9400 � 14000
polistyren 400 � 600 6000 � 7000
szkło 250 � 450 2000 � 6000
8.2. Mechanizm cieplny przebicia
Mechanizm cieplny związany jest ze stratami energii w dielek-
tryku. Straty te powodują wydzielanie się ciepła. Występujący
wzrost temperatury powoduje wzrost strat, co z kolei zwiększa
Q1
Q2
ilość wydzielanego ciepła itd. Jeżeli przy panującym natężeniu
T
pola nie ustala się stan równowagi cieplnej, to wskutek narasta-
nia tych procesów dielektryk ulega zniszczeniu.
Przyjmuje się, że przyczyną wystąpienia przebicia cieplnego
T0
jest utworzenie się wzdłuż linii sił pola elektrycznego obszaru,
w którym przewodność dielektryku jest większa niż poza tym
Rys. 8.2. Hipotetyczny obszar o większej
obszarem.
konduktywności wewnątrz dielektryka:
Q1  ciepło wydzielone wewnątrz obszaru,
Jeżeli Q1 = Q2 to T = const. i występuje stan równowagi cieplnej,
Q2  ciepło oddawane do otoczenia
jeśli zaś Q1 > Q2 to T rośnie prowadząc do przebicia cieplnego.
Analiza ilościowa zjawiska przebicia cieplnego wg W. A. Foka
Straty dielektryczne w rozpatrywanym słabym obszarze wynoszą
Q1 = U2w�Ctgd�
Ciepło oddawane na zewnątrz obszaru
Q2 = a�TS(T  T0)
gdzie: a�T  współczynnik oddawania ciepła [W/m2K], S  powierzchnia oddawania ciepła [m2],
T0  temperatura otoczenia [K].
Ciepło Q1 jest funkcją tgd� a współczynnik strat tgd� zależy wykładniczo od temperatury T.
U3 Punkt A: Q1 = Q2 - punkt pracy stabilnej,
Q1
U2
Q2 jeśli T < TA to Q1 > Q2 - T wzrasta do TA,
U1
jeśli T > TA to Q2 > Q1 - T maleje do TA.
C
Punkt C: Q1 = Q2 - punkt pracy niestabilnej,
jeśli T < TC to Q2 > Q1 - T maleje do TA,
B
Q
jeśli T > TC to Q1 > Q2 - temperatura
1
wzrasta prowadząc do przebicia.
U3 > U2 > U1
Punkt B: Q1 = Q2 - punkt pracy niestabilnej,
A
Q
2
jeśli T < TB to Q1 > Q2 - T wzrasta do TB,
jeśli T > TB to Q1 > Q2 - temperatura
T0 T
wzrasta prowadząc do przebicia.
Rys. 8.3. Charakterystyki Q1 = f (T) i Q2 = f (T)
Napięcie U2 to najwyższe napięcie przy którym możliwa jest jeszcze praca dielektryka, ale jest to
stan równowagi chwiejnej. Przebicie cieplne jest konsekwencją przyłożenia do dielektryka zbyt
dużego napięcia.
Stan równowagi chwiejnej dla punktu B
T
U3
Q1 = Q2,
2
U2w�Ctgd� =�a�T S(T -�T0 )
TB
U2
TA
U1
a�T S(T -�T0 )
U2 =� =�Udop
T0
w�Ctgd�
t
Dla U < Udop dielektryk pracuje
w sposób prawidłowy. Temperatura TB
Rys. 8.4. Temperatura pracy dielektryka w funkcji czasu
przy różnych napięciach
jest temperaturą dopuszczalną z punktu
widzenia przebicia cieplnego.
8.3. Mechanizm jonizacyjny
W urządzeniach najwyższych napięć występujące wyładowania niezupełne prowadzą do
przebicia. Mechanizm jonizacyjny występuje łącznie z mechanizmem cieplnym 
wyładowania prowadzą do wzrostu strat.
Warunkiem występowania wyładowań niezupełnych jest istnienie w dielektryku
niejednorodności w postaci wnęk, szczelin czy też wtrącin wypełnionych gazem lub
cieczą. Mniejsza przenikalność dielektryczna wtrącin od przenikalności otaczającego
dielektryka sprawia, że natężenia pola we wtrącinach łatwo przekraczają wartości
krytyczne.
Występowanie wyładowań niezupełnych oddziaływuje szkodliwie na materiał poprzez:
a) stopniową erozję materiału,
b) działanie chemiczne gazów wydzielanych podczas wyładowań,
c) powstawanie ścieżek przewodzących,
d) powstawanie kanałów przewodzących,
e) wzrost ciepła  ogrzewanie kumulatywne.
8.4. Mechanizm elektromechaniczny
Mechanizm przebicia elektromechanicznego polega na mechanicznym niszczeniu cienkich
warstw dielektrycznych wskutek działania sił elektrostatycznych. Przebicie elektryczne jest
wynikiem uszkodzenia mechanicznego.
Przyrost natężenia pola przy zmianie
Przy napięciu U na jednostkę powierzchni próbki o gruboś-
grubości
ci a działa siła
2
dE const
1 1 U
=� -� =� 0
F =� eE2 =� eć� ��
�� ��
da
a0
2 2 a
Ł� ł�
2a ln
a
Grubość początkowa a0 zmniejsza się do a. Wytrzymałość
Ekstremum dla dE/da występuje dla a = 0,6��a0.
mechaniczna na ściskanie zgodnie z prawem Hook a
Jest to punkt krytyczny, jeśli grubość osiągnie
wynosi
a0
F =� Y ln
punkt krytyczny wystąpi uszkodzenie mecha-
a
niczne materiału mimo, że naprężenie mogło
gdzie Y  moduł ściśliwości Younga.
jeszcze nie osiągnąć naprężenia przebicia.
Ponieważ podczas ściskania zmniejsza się grubość dielek-
dE/da
tryka więc wzrasta E i siła ściskająca. Aby doszło do prze-
a/a0
0,6 1,0
0
bicia elektromechanicznego siła ta musi być co najmniej
równa wytrzymałości mechanicznej na ściskanie.
1 a0
F =� eE2 =� Y lnć� ��
�� ��
2 a
Ł� ł�
2Y a0 a0
E =� �� ln =� const ln
e a a Rys. 8.5. Zmienność gradientu natężenia
pola w funkcji grubości warstwy izolacji
9. Przebicie dielektryków ciekłych
9.1. Informacje wstępne
Do dielektryków ciekłych zaliczamy
 oleje mineralne,
 oleje syntetyczne (chlorodwufenyle, oleje silikonowe),
 oleje roślinne (olej rycynowy),
 ciecze kriogeniczne (tlen, wodór, azot),
 woda (czysta destylowana, e = 81, kondensatory impulsowe}.
W elektroenergetyce największe znaczenie mają oleje mineralne, coraz częściej stosuje się
też oleje syntetyczne. W urządzeniach elektrycznych wysokiego napięcia oleje spełniają
różnorodne zadania występując jako:
a) materiał izolacyjny ze względu na dużą wytrzymałość elektryczną,
b) czynnik poprawiający własności elektryczne izolacji stałej np. włóknistej
(izolacja papierowo-olejowa),
c) czynnik chłodzący, np. uzwojenie i rdzeń w transformatorach,
d) ośrodek ułatwiający gaszenie łuku w wyłącznikach przez szybkie pochłanianie
dużych ilości ciepła i dejonizację przerwy łukowej,
e) czynnik chroniący przed dostępem powietrza a zwłaszcza wilgoci z powietrza.
Wytrzymałość elektryczna olejów zależy od szeregu czynników. Najważniejszymi są:
 zawilgocenie,
 zawartość gazów,
 obecność zanieczyszczeń,
 temperatura,
 ciśnienie,
 skład chemiczny i inne.
Badania wytrzymałości oleju dokonuje się przez pomiar napięcia przebicia (50 Hz, wartość
skuteczna) w układzie elektrod czaszowych przy odstępie między nimi 2,5 mm (rys. 9.1).
Wymagania stawiane olejom izolacyjnym, w zależności od zastosowania, podają dopuszczal-
ną wartość tego napięcia.
Z uwagi na różnorodne zadania, wytwa-
R25
rzane są różne rodzaje olejów o właści-
wościach odpowiednich dla pracy w trans-
formatorach, kablach, kondensatorach
i wyłącznikach.
2,5
Rys. 9.1. Układ elektrod czaszowych stosowa-
ny przy badaniu wytrzymałości oleju
36
9.2. Mechanizmy przebicia olejów izolacyjnych
9.2.1. Mechanizm jonizujący
Mechanizm jonizujący przebicia, występujący w olejach bardzo czystych, podobnie jak w ga-
zach polega na zjawisku jonizacji lawinowej w pęcherzykach gazowych znajdujących się w
cieczy niezupełnie odgazowanej lub powstałych w wyniku działania silnego pola elektryczne-
go. Przyczyny tworzenia się pęcherzyków są następujące:
 nagłe zmiany ciśnienia i temperatury powodujące kondensację gazu,
 dysocjacja cząsteczek pod wpływem zderzeń,
 wysokie naprężenia przy elektrodzie,
 odparowywanie cieczy przy mikrowyładowaniach,
 uwięzienie gazu na powierzchni elektrod.
9.2.2. Mechanizm mostkowy
Mechanizm mostkowy przebicia występuje w olejach zawierających wilgoć i zanieczyszczenia,
które mogą pochodzić z zewnątrz lub powstać w samym oleju (np. włókna izolacji stałej). Obni-
żają one znacznie wytrzymałość elektryczną oleju, przy czym wpływ wilgoci jest większy w ole-
jach bardziej zanieczyszczonych. Spowodowane jest to dużą higroskopijnością włókien i wzros-
tem ich przenikalności dielektrycznej po zawilgoceniu. Wilgotne włókna zanieczyszczeń wciąga-
ne są w obszar dużego natężenia pola elektrycznego, ustawiając się wzdłuż linii sił tego pola
tworzą mostek łączący elektrody. Wzdłuż tego mostka rozwija się przebicie. Ze względu na moż-
liwe znaczne zawartości wilgoci w oleju, wpływ jej na właściwości elektryczne ma szczególne
znaczenie w transformatorach i wyłącznikach, natomiast dla oleju kablowego i kondensatorowe-
go najważniejsze są właściwości gazowe oleju.
9.3. Efekt objętości oleju szczególnie naprężanego
Podczas badań wytrzymałościowych zauważono, że przy mniejszych odstępach elektrod olej
wytrzymuje wyższe natężenie pola. Zauważono również, że przy stałych odstępach elektrod
większa wytrzymałość jest osiągana przy mniejszej ich powierzchni.
Wpływ odległości d i powierzchni elektrody S można przedstawić w postaci zależności natęże-
nia przeskoku od objętości naprężanego oleju.
Ep = f (d��S) = f (V)
Zależność wytrzymałości od objętości
oleju stwierdzono także w układach
1 2 1 2
o polu umiarkowanie niejednostajnym,
przy czym objętość oleju którą należy
rozważać nazwano objętością oleju
szczególnie naprężanego.
S1
d d S2
<
<
1
2
Ep1 E
Ep1 E
>
>
p2
p2
Objętość oleju szczególnie naprężanego
Rys. 9.2. Ilustracja wpływu odstępu i powierzchni elektrod
(V*) jest to objętość mieszcząca się
na wytrzymałość oleju mineralnego
pomiędzy elektrodą a powierzchnią
ekwigradientną 0,9Emax.
Gran ica obszaru, E = 0,9E
ma x
Iskiernik kulowy Układ walców współosiowych
Rys. 9.3. Objętość oleju szczególnie naprężanego
Dla układu walców współosiowych
Ep
2
�� ł�
r
V* =� p�lę�ć� �� -� r2 ś�
�� ��
V*
ę�Ł� 0,9 ł� ś�
�� ��
Rys. 9.4. Zależność Ep = f (V*}
KONIEC