Parametry charakteryzujące dielektryk.

[wikipedia i google]

Parametr	Jak mierzyć?	Jednostka, wzór
stała dielektryczna	Określamy impedancję kondensatora wypełnionego dielektrykiem. Można do tego wykorzystać metodę mostkową (np. mostek Scheringa). Gdzie: Zac*Zdb=Zad*Zcb

Najistotniejszymi parametrami technicznymi charakteryzującymi izolatory elektryczne są:

• przenikalność elektryczna

• napięcie przebicia – zwane czasem wytrzymałością elektryczną

• prąd upływu

• współczynnik strat dielektrycznych

• stała dielektryczna

• przewodnictwo właściwe

• właściwości temperaturowe

• właściwości mechaniczne

Materiały z wykładu twn

[ z pliku twn01.pdf]

Naprężenie dielektryczne- natężenie pola elektrycznego lub gradient potencjału w dowolnym punkcie dielektryka, spowodowany przyłożonym napięciem

Naprężenie krytyczne- naprężenie, przy którym dielektryk traci własności izolacyjne w dowolnym punkcie

Napięcie początkowe wyładowań- napięcie, przy którym osiągnięte zostało naprężenie krytyczne

Napięcie przebicia (przeskoku)- napięcie, przy którym dielektryk (gaz) traci własności izolacyjne na całej drodze między elektrodami

Napięcie wytrzymywane- najwyższa wartość napięcia, która jeszcze nie powoduje przebicia dielektryka

Wytrzymałość dielektryczna- wartość natężenia pola elektrycznego, przy którym następuje przebicie dielektryka

Napięcie przebicia- napięcie, przy którym następuje przebicie układu: utożsamiane jest pod względem wartości z najwyższym napięciem wytrzymywanym

Napięcie probiercze- napięcie przykładane do układu w czasie prób wytrzymałości dielektrycznej

[twn02.pdf]

Wytrzymałość dielektryczna (powietrza) przy napięciu przemiennym

Ze względu na powolność zmian napięcia przemiennego (50 Hz) w stosunku do prędkości tworzenia się lawin i kanałów plazmowych, wyładowania występują przy największej chwilowej wartości przyłożonego napięcia tj. wartości szczytowej sinusoidy. W układzie płaskim osiągnięcie w którymkolwiek miejscu przestrzeni wartości krytycznej natężenia pola Eo prowadzi do przebicia układu. Napięcie przebicia (przeskoku) Up jest równoznaczne z napięciem początkowym Uo

Up = Uo

Wartości krytyczne naprężeń Eo dla powietrza w układzie płaskim przy napięciu o częstotliwości 50Hz w warunkach atmosferycznych normalnych tzn. T = 293 K i p = 1013hPa w zależności od odstępu elektrod a przedstawiono na wykresie.

W warunkach praktycznych ciśnienia i temperatury powietrza, zbliżonych do normalnych, przy napięciach i odległościach izolacyjnych stosowanych w praktyce wykorzystywana jest prawa część krzywej Paschena. Dla danej odległości a napięcie początkowe w dowolnych warunkach temperatury i ciśnienia Uo = Uon d gdzie Uon jest napięciem początkowym w warunkach normalnych. W układzie ostrzowym osiągnięcie napięcia Uo nie jest równoznaczne z przebiciem gazu, gdyż napięcie przeskoku

Up > Uo

Po osiągnięciu napięcia Uo na ostrzach pojawiają się świetlenia, przy czym wartość Uo w dość szerokim zakresie nie zależy od odstępu elektrod, gdyż o największym natężeniu pola decyduje głównie ich krzywizna. Dalsze podnoszenie napięcia pomiędzy elektrodami prowadzi do snopienia, a następnie do przeskoku przy wartości napięcia Up, którego wartość zależy od gęstości powietrza, podobnie, jak Uo. Na rysunku przedstawiono typowy przebieg zależności Uo i Up przy zmianach odległości ostrzy a przy stałej gęstości powietrza. Wartości napięć Uo i Up są wyższe w przypadku układu ostrzy symetrycznych względem ziemi. Gdy jedno ostrze jest uziemione udział pola w stosunku do ziemi podwyższa naprężenia.

W praktyce interesujący jest zakres odległości a ³ 8 cm. Wówczas napięcie przeskoku Upn w warunkach normalnych (w kV) można obliczać szacunkowo ze wzorów

U ( a) pn = 14 + 3,16 2 dla układu niesymetrycznego

U ( a) pn = 14 + 3,36 2 dla układu symetrycznego

gdzie a - odległość elektrod

Ze względu na to, że przeskok w układach o polach niejednorodnych poprzedzany jest wyładowaniami niezupełnymi, napięcie Up uzależnione jest od wilgotności powietrza. Para wodna tworzy z elektronami ciężkie jony ujemne, co utrudnia tworzenie się lawin i podwyższa napięcie przeskoku.

W układach kulowych ekscentrycznych postacie wyładowań zależą od stosunku odstępu kul a do promienia r. Przy małych wartościach a/r, tj. gdy kule są duŻe i blisko siebie, rozkład pola pomiędzy kulami jest prawie jednorodny. Przy większych wartościach tego stosunku, tj. gdy kule są małe i daleko od siebie, w układzie powstaje niejednorodne pole i przy podnoszeniu napięcia między elektrodami pojawiają się świetlenia, snopienia, a następnie przeskok. Układ kulowy jest układem o zachowaniu pośrednim pomiędzy zachowaniem się układu płaskiego i ostrzowego.

W układach kulowych ekscentrycznych, w których Up = Uo, przeskok wykorzystuje się w praktyce do wyznaczania wartości napięcia na podstawie odczytu odległości kul, gdy znana jest charakterystyka Up = f (a) układu. W tym celu stosuje się iskierniki pomiarowe. Celem uzyskania zadawalającej dokładności i powtarzalności charakterystyki Up = f (a) buduje się iskierniki, dla których stosunek a/r zawarty jest w granicach 0,05 < a/r < 1

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napięciu stałym

Wpływ biegunowości napięcia na napięcie przeskoku nie jest widoczny w układach symetrycznych o jednakowych elektrodach nawet przy polach niejednorodnych. Występuje natomiast wyraźnie w układach niesymetrycznych zwłaszcza o dużej niejednorodności pola. Typowym przykładem takiego układu niesymetrycznego jest układ ostrze - płyta uziemiona, w którym przeskok poprzedzany jest wyładowaniami niezupełnymi, tj. zachodzi Up > Uo. Zarówno Up jak i Uo zależą od biegunowości elektrod. Oznaczając te napięcia przez Up+ i Uo+ w przypadku ostrza dodatniego, a przez Up- i Uo- w przypadku ostrza ujemnego można stwierdzić słuszność zależności

Uo- < Uo+

Up- > Up+

Zależności te wyjaśniamy mechanizmem rozwoju wyładowania. W układzie ostrze-płyta z

ostrza rozwinąć się musi kanał plazmowy anodowy lub katodowy. Tworzenie się lawin wybiegających przy ostrzu ujemnym jest bardziej ułatwione, gdyż każda lawina tworzy w swej tylnej części ładunek przestrzenny dodatni wzmagający pole przy katodzie i ułatwiający emisję elektronów z katody. Odwrotnie - przy ostrzu dodatnim lawiny rozpoczynać się muszą w pewnej odległości od ostrza, gdzie natężenie pola jest mniejsze, ładunki zaś dodatnie lawin, po wchłonięciu elektronów przez anodę, osłabiają dodatkowo natężenie pola przy ostrzu. Tworzenie lawin wymaga zatem wyższego napięcia

początkowego. Powyższe względy sprawiają, Że Uo- < Uo+.

W dalszych rejonach od ostrza kanał plazmowy natrafia na znacznie łatwiejsze warunki rozwoju ku płycie, gdy ostrze jest dodatnie. Dodatni kanał plazmowy staje się przedłużeniem ostrza i niesie przed sobą obszar silnej jonizacji wywołującej liczne lawiny.

Odwrotnie, przy ostrzu ujemnym ładunek przestrzenny przy katodzie utrudnia rozwój lawin ku anodzie obniżając natężenie pola. Powyższe względy sprawiają, Że Up- > Up+.

Wpływ biegunowości napięcia moŻe być obserwowany równieŻ przy napięciach

przemiennych. Polega on jednak na tym, Że świetlenie lub przeskok wywołuje ta połówka

napięcia, której biegunowość bardziej sprzyja wywołaniu danego zjawiska.

[twn03.pdf]

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napięciach udarowych

Przebicie powietrza przy napięciu udarowym zachodzi przeważnie przy większej wartości U p niŻ

przy napięciu stałym i przemiennym, które w czasie tworzenia się kanału plazmowego można uznać za niezmienne w czasie i równe statycznemu napięciu przebicia Up. Przy napięciu udarowym czas trwania wysokiego napięcia, zdolnego zjonizować gaz, jest ograniczony i porównywalny z czasem rozwoju wyładowania. Ponadto uformowanie kanału plazmowego, a więc przeskok i ucięcie udaru przez zwarcie elektrod wyładowaniem może występować znacznie później niż po osiągnięciu wartości napięcia równej statycznemu napięciu przebicia. Ta różnica czasów nazywana jest opóźnieniem wyładowania. Na wielkość tego opóźnienia top składają się: czas ts, nazywany statystycznym czasem opóźnienia oraz czas tf , nazywany czasem formowania wyładowania, przy czym top = ts + tf .

Czas ts, zależy od przypadkowości znalezienia się początkowych elektronów, tworzących pierwsze

lawiny, w miejscach, gdzie natężenie pola przy napięciu udarowym osiągnie wartości odpowiadające

statycznemu napięciu przebicia układu. Zależy on od wysokości przyłożonego napięcia, kształtu i materiału elektrod, głównie zaś od zdolności katody do autoemisji lub fotoemisji, którą można pobudzać np. przez naświetlenie jonizujące. Czas tf zależy od prędkości formowania się kanału plazmowego tym większej, im większe napięcie oraz natężenie pola w układzie oraz tym mniejszej im odległość elektrod jest większa. Zjawisko opóźnienia wyładowania powoduje, Że kolejne udary o tej samej amplitudzie nie zawsze wywołują przeskok w układzie izolacyjnym, przy czym częstość występowania przeskoków zależy od wartości szczytowej przykładanych udarów Upm. Zwykle przeskoki pojawiają się przy pewnej minimalnej wartości napięcia U p0% zwanej minimalnym lub zero procentowym napięciem przeskoku. W miarę wzrostu napięcia liczba przeskoków w stosunku do liczby przyłożonych udarów rośnie. Przy napięciu U pl00% zwanym stuprocentowym każdy przyłożony udar wywołuje przeskok. Układ izolacyjny ma zatem napięcie udarowe przebicia zmienne od Up0% do Upl00% przy czym wartości te mogą różnić się znacznie lub być bliskie siebie. Właściwość ta zależy od stopnia niejednorodności pola odróżniającego np. układ elektrod ostrzowy od płaskiego lub kulowego przy małym stosunku odległości do promienia ( a/r ).

Wyznaczanie U p0% i U p100% praktycznie bywa utrudnione i dlatego wyznacza się napięcie

przeskoku pięćdziesięcioprocentowe U p50% tj. takie, przy którym połowa przyłożonych udarów prowadzi do przeskoku. Stosunek pięćdziesięcioprocentowego do statycznego napięcia przeskoku

ku = Up50% / Ups nazywany jest współczynnikiem udaru. Współczynnik ten zależy od rodzaju układu izolacyjnego i jest bliski jedności dla układów o polach jednorodnych, a jest większy dla układów o polach niejednorodnych, w których powstawanie kanału plazmowego jest bardziej utrudnione.

Celem porównania, który z układów izolacyjnych jest przy napięciach udarowych bardziej

wytrzymały nie wystarczy porównać wartości napięć, lecz należy także porównać czasy do przeskoku tp od chwili przyłożenia napięcia Um do chwili jego ucięcia. Ten układ jest bowiem mniej wytrzymały,

który szybciej zostanie przebity, ucinając przyłożone napięcie.

Porównanie takie opiera się na porównaniu przebiegów charakterystyk udarowych będących

funkcjami wartości szczytowej napięcia powodującego przeskok Up od czasu do ucięcia (czasu do

przeskoku) tp. Sposób konstrukcji charakterystyki udarowej podaje rys.3. Ze względu na to, Że wskutek zmienności czasu opóźnienia przeskoku czasy do ucięcia przy danym napięciu Up mogą się zmieniać, charakterystyki udarowe sporządza się zwykle dla średnich czasów do przeskoku. W pewnych warunkach pożądane jest sporządzenie charakterystyki Up = f(tp) dla najkrótszych lub najdłuższych czasów tp . Oczywiście charakterystyki takie będą leŻały na lewo lub na prawo od charakterystyki dla czasów średnich.