絶縁耐力

絶縁耐力は、印加される電圧に耐える誘電体の能力を決定します。したがって、誘電体の耐電圧は、誘電体に絶縁破壊が生じる電界強度 Epr の平均値として理解されます。

誘電体の電気的破壊は、特定の材料に電圧を印加すると、その材料の導電率が急激に増加し、その後、導電性のプラズマ チャネルが形成される現象です。

液体または気体における電気的破壊は、放電とも呼ばれます。実際、このような放電が形成されます コンデンサの放電電流降伏電圧が印加される電極によって形成される。

ここで、絶縁破壊電圧 Upr は絶縁破壊が始まる電圧であるため、絶縁耐力は次の式を使用して求めることができます (h は絶縁破壊するサンプルの厚さです)。

Epr = UNC/時間

明らかに、特定の場合における絶縁破壊電圧は、対象となる誘電体の絶縁耐力に関係し、電極間のギャップの厚さに依存します。したがって、電極間のギャップが増加するにつれて、耐圧値も増加する。液体および気体の誘電体では、破壊中の放電の進行はさまざまな方法で発生します。

気体誘電体の絶縁耐力

イオン化 — 中性原子を正または負のイオンに変換するプロセス。

ガス誘電体の大きなギャップを破壊するプロセスでは、いくつかの段階が次々に続きます。

1. 自由電子は、ガス分子の光イオン化の結果、金属電極から直接または偶然にガスギャップに現れます。

2. ギャップに現れる自由電子は電場によって加速され、電子のエネルギーが増加し、最終的には中性原子と衝突してイオン化するのに十分な量になります。つまり、インパクトイオン化が起こる。

3. 多くの衝突イオン化作用の結果、電子なだれが形成され、発達します。

4. ストリーマが形成されます。電子のなだれが通過した後に残る正イオンと、正に帯電したプラズマに引き込まれる負イオンによって形成されるプラズマ チャネルです。

5. ストリーマを流れる容量性電流により熱イオン化が発生し、ストリーマが導電性になります。

6. 放電ギャップが放電チャネルによって閉じられると、主放電が発生します。

放電ギャップが十分に小さい場合、降伏プロセスは、なだれ降伏の段階、またはストリーマ形成の段階、つまりスパークの段階ですでに終了する可能性があります。

ガスの電気的強度は次のように決定されます。

• 電極間の距離。

• 掘削されるガス内の圧力。

• 気体分子の電子に対する親和性、気体の電気陰性度。

圧力関係は次のように説明されます。ガス内の圧力が増加すると、分子間の距離が減少します。加速中、電子はより短い自由行程で同じエネルギーを獲得する必要があり、これは原子をイオン化するのに十分なエネルギーです。

このエネルギーは衝突時の電子の速度によって決まり、その速度は電場から電子に作用する力による加速、つまり電子の強さによって発達します。

パッシェン曲線は、ガス中の絶縁破壊電圧 Upr が電極間の距離と圧力の積 (p * h) に依存することを示しています。たとえば、p * h = 0.7 パスカル * メートルの空気の場合、破壊電圧は約 330 ボルトです。この値の左側でブレークダウン電圧が増加するのは、電子がガス分子と衝突する確率が減少するためです。

電子親和力とは、一部の中性分子やガス原子がそれら自体に追加の電子を結合してマイナスイオンになる能力です。電子親和力の高い原子を持つガス、電気陰性ガスでは、電子がなだれを形成するには大きな加速エネルギーが必要です。

通常の状態、つまり常温常圧では、1cmのギャップ内の空気の絶縁耐力は約3000V/mmであることが知られていますが、0.3MPa（通常の3倍）の圧力では絶縁耐力は3000V/mm程度であることが知られています。同じ空気の絶縁耐力は10,000V/mm近くになります。電気陰性ガスである SF6 ガスの場合、通常の条件下での絶縁耐力は約 8700 V/mm です。そして0.3MPaの圧力では20,000V/mmに達します。

液体誘電体の絶縁耐力

液体誘電体の場合、その絶縁耐力は化学構造に直接関係しません。そして、液体の崩壊メカニズムに影響を与える主なものは、気体と比較して分子の配置が非常に近いことです。気体の特徴である衝撃イオン化は、液体誘電体では不可能です。

インパクトイオン化エネルギーは約 5 eV で、このエネルギーを電界強度、電子電荷、平均自由行程 (約 500 ナノメートル) の積として表し、そこから絶縁耐力を計算すると、次のようになります。 10,000,000 V/mm が得られ、液体の実際の耐電圧は 20,000 ～ 40,000 V/mm です。

液体の絶縁耐力は実際には、液体中のガスの量に依存します。また、耐電圧は電圧が印加される電極表面の状態によっても異なります。液体への分解は、小さな気泡の分解から始まります。

気体の誘電率ははるかに低いため、気泡内の電圧は周囲の液体よりも高くなります。この場合、ガスの絶縁耐力は低くなります。気泡の放出により気泡が成長し、最終的には気泡内の部分放電の結果として液体の破壊が発生します。

不純物は、液体誘電体の破壊発現メカニズムにおいて重要な役割を果たします。たとえば、変圧器油を考えてみましょう。導電性不純物としての煤や水は絶縁耐力を低下させます 変圧器油.

通常、水は油と混ざりませんが、電界の作用下で油中の最小の液滴が分極し、周囲の油に比べて電気伝導率が増加した回路を形成します。その結果、回路に沿って油の破壊が発生します。

実験室条件で液体の絶縁耐力を測定するには、半径が電極間の距離の数倍大きい半球状の電極が使用されます。電極間のギャップに均一な電場が生成されます。一般的な距離は 2.5 mm です。

変圧器油の場合、破壊電圧は 50,000 ボルト以上である必要があり、最高のサンプルでは破壊電圧値が 80,000 ボルトになります。同時に、インパクトイオン化理論では、この電圧は 2,000,000 ～ 3,000,000 ボルトであるはずだということを思い出してください。

したがって、液体誘電体の絶縁耐力を高めるには、次のことが必要です。

• 液体から石炭、すすなどの固体導電性粒子を取り除きます。

• 誘電性流体から水を除去します。

• 液体を消毒します (排気します)。

• 液圧を上げます。

固体誘電体の絶縁耐力

固体誘電体の絶縁耐力は、破壊電圧が印加される時間に関係します。そして、電圧が誘電体に印加される時間と、そのときに発生する物理的プロセスに応じて、次のように区別されます。

• 電圧が印加されてから数秒以内に発生する電気的故障。

• 数秒、場合によっては数時間で起こる熱崩壊。

• 部分放電による故障の場合、暴露期間が1年を超える場合があります。

固体誘電体の破壊のメカニズムは、印加電圧の作用下で物質の化学結合が破壊され、物質がプラズマに変化することにあります。つまり、固体誘電体の電気的強度とその化学結合のエネルギーとの間の比例関係について話すことができます。

固体誘電体は液体や気体の絶縁耐力を超えることがよくあります。たとえば、絶縁ガラスの耐電圧は約 70,000 V/mm、ポリ塩化ビニルは 40,000 V/mm、ポリエチレンは 30,000 V/mm です。

熱破壊の原因は、誘電体の加熱にあります。 誘電損失電力損失エネルギーが誘電体によって除去されるエネルギーを超えるとき。

温度が上昇すると、キャリアの数が増加し、導電率が増加し、損失角が増加するため、温度はさらに上昇し、絶縁耐力が低下します。その結果、誘電体の加熱により、加熱しない場合、つまり純粋に電気的な故障の場合よりも低い電圧で故障が発生します。