Izolācijas dielektriskā izturība. Aprēķinu piemēri

Pakāpeniski palielinoties spriegumam U starp vadītājiem, kas atdalīti ar dielektriķi (izolāciju), piemēram, kondensatora plāksnēm vai vadošajiem kabeļu vadiem, palielinās elektriskā lauka intensitāte (stiprums) dielektrikā. Samazinoties attālumam starp vadiem, palielinās arī elektriskā lauka stiprums dielektrikā.

Pie noteikta lauka intensitātes dielektrikā notiek pārrāvums, veidojas dzirkstele vai loks un ķēdē parādās elektriskā strāva. Elektriskā lauka stiprumu, pie kura notiek izolācijas pārrāvums, sauc par izolācijas elektrisko stiprumu Epr.

Dielektriskā izturība ir definēta kā spriegums uz izolācijas biezuma mm, un to mēra V/mm (kV/mm) vai kV/cm. Piemēram, gaisa dielektriskā izturība starp gludām plāksnēm ir 32 kV / cm.

Elektriskā lauka stiprumu dielektrikā gadījumā, ja vadītāji ir plākšņu vai sloksņu veidā, kas atdalītas ar vienādu atstarpi (piemēram, papīra kondensatorā), aprēķina pēc formulas

E = U/d,

kur U ir spriegums starp vadiem, V (kV); d — dielektriskā slāņa biezums, mm (cm).

Piemēri

1. Kāds ir elektriskā lauka stiprums 3 cm biezajā gaisa spraugā starp plāksnēm, ja spriegums starp tām ir U = 100 kV (1. att.)?

Rīsi. 1.

Elektriskā lauka stiprums ir: E = U / d = 100000/3 = 33333 V / cm.

Šāds spriegums pārsniedz gaisa dielektrisko izturību (32 kV / cm), un pastāv iznīcināšanas risks.

Līdzstrāvas bojājumu risku var novērst, palielinot atstarpi, piemēram, līdz 5 cm, vai gaisa vietā izmantojot citu, stiprāku izolāciju, piemēram, elektrisko kartonu (2. att.).

Rīsi. 2.

Elektriskā kartona dielektriskā konstante ir ε = 2 un dielektriskā izturība 80 000 V/cm. Mūsu gadījumā elektriskā lauka stiprums izolācijā ir 33333 V. Gaiss nevar izturēt šo spēku, savukārt elektriskā kartona dielektriskās stiprības rezerve šajā gadījumā ir 80 000/33333 = 2,4, jo elektriskās kastes dielektriskā izturība ir 80 000/32 000 = 2,5 reizes lielāks par gaisu.

2. Kāds ir elektriskā lauka stiprums 3 mm bieza kondensatora dielektrikā, ja kondensators ir pievienots spriegumam U = 6 kV?

E = U / d = 6000 / 0,3 = 20 000 V / cm.

3. Dielektriķis, kura biezums ir 2 mm, sadalās pie sprieguma 30 kV. Kāds bija tā elektriskā stiprums?

E = U / d = 30 000 / 0,2 = 150 000 V / cm = 150 kV / cm. Stiklam ir tāda elektriskā izturība.

4. Telpu starp kondensatora plāksnēm piepilda ar elektriskā kartona slāņiem un tāda paša biezuma vizlas slāni (3. att.). Spriegums starp kondensatora plāksnēm ir U = 10000 V. Elektriskā kartona dielektriskā konstante ε1 = 2 un vizlas ε2 = 8.Kā spriegums U tiks sadalīts starp izolācijas slāņiem un kāda būs elektriskā lauka intensitāte atsevišķos slāņos?

Rīsi. 3.

Spriegumi U1 un U2 vienāda biezuma dielektriskos slāņos nebūs vienādi. Kondensatora spriegums tiks sadalīts spriegumos U1 un U2, kas būs apgriezti proporcionāls dielektriskajām konstantēm:

U1 / U2 = ε2 / ε1 = 8/2 = 4/1 = 4;

U1 = 4 ∙ U2.

Tā kā U = U1 + U2, mums ir divi vienādojumi ar diviem nezināmiem.

Aizvietojiet pirmo vienādojumu ar otro: U = 4 ∙ U2 + U2 = 5 ∙ U2.

Tāpēc 10000 V = 5 ∙ U2; U2 = 2000 V; U1 = 4, U2 = 8000 V.

Lai gan dielektriskie slāņi ir vienāda biezuma, tie nav vienādi uzlādēti. Dielektriķis ar lielāku dielektrisko konstanti ir mazāk noslogots (U2 = 2000 V) un otrādi (U1 = 8000 V).

Elektriskā lauka stiprums E dielektriskajos slāņos ir vienāds ar:

E1 = U1 / d1 = 8000 / 0,2 = 40 000 V / cm;

E2 = U2 / d2 = 2000 / 0,2 = 10000 V / cm.

Dielektriskās konstantes atšķirība izraisa elektriskā lauka intensitātes palielināšanos. Ja visu spraugu aizpildītu tikai ar vienu dielektriķi, piemēram, vizlu vai elektrisko kartonu, elektriskā lauka stiprums būtu mazāks, jo spraugā tas sadalītos diezgan vienmērīgi:

E = U / d = (U1 + U2) / (d1 + d2) = 10000 / 0,4 = 25000 V / cm.

Tāpēc ir jāizvairās no sarežģītas izolācijas ar ļoti atšķirīgām dielektriskajām konstantēm izmantošanas. Tā paša iemesla dēļ atteices risks palielinās, kad izolācijā veidojas gaisa burbuļi.

5. Nosakiet elektriskā lauka stiprumu kondensatora dielektrikā no iepriekšējā piemēra, ja dielektrisko slāņu biezums nav vienāds.Elektriskās plates biezums ir d1 = 0,2 mm un vizlas d2 = 3,8 mm (4. att.).

Rīsi. 4.

Elektriskā lauka stiprums tiks sadalīts apgriezti proporcionāli dielektriskajām konstantēm:

E1 / E2 = ε2 / ε1 = 8/2 = 4.

Tā kā E1 = U1 / d1 = U1 / 0,2 un E2 = U2 / d2 = U2 / 3,8, tad E1 / E2 = (U1 / 0,2) / (U2 / 3,8) = (U1 ∙ 3,8) / (0,2 ∙ U2) = 19 ∙ U1/U2.

Tāpēc E1 / E2 = 4 = 19 ∙ U1 / U2 vai U1 / U2 = 4/19.

Spriegumu U1 un U2 summa uz dielektriskajiem slāņiem ir vienāda ar avota spriegumu U: U = U1 + U2; 10000 = U1 + U2.

Tā kā U1 = 4/19 ∙ U2, tad 10000 = 4/10 ∙ U2 + U2 = 23/19 ∙ U2; U2 = 190 000 /23 = 8260 V; U1 = U-U2 = 1740 V.

Elektriskā lauka stiprums vizlā ir E2 ∙ 8260 / 3,8≈2174 V / cm.

Vizlas elektriskā izturība ir 80 000 V / mm, un tā var izturēt šādu spriegumu.

Elektriskā lauka stiprums elektriskajā kartonā ir E1 = 1740 / 0,2 = 8700 V / mm.

Elektriskais kartons neizturēs šādu spriegumu, jo tā dielektriskā izturība ir tikai 8000 V / mm.

6. Divām metāla plāksnēm 2 cm attālumā viena no otras pieslēdz spriegumu 60 000 V Nosaka elektriskā lauka intensitāti gaisa spraugā, kā arī elektriskā lauka intensitāti gaisā un stiklā, ja spraugā ir stikls ievieto plāksni ar biezums 1 cm (5. att.).

Rīsi. 5.

Ja starp plāksnēm ir tikai gaiss, elektriskā lauka stiprums tajā ir vienāds ar: E = U / d = 60 000 / 2 = 30 000 V / cm.

Lauka stiprums ir tuvu gaisa dielektriskajam stiprumam.Ja spraugā tiek ievadīta 1 cm bieza stikla plāksne (stikla dielektriskā konstante ε2 = 7), tad E1 = U1 / d1 = U1 / 1 = U1; E2 = U2 / d2 = U2 / 1 = U2; E1 / E2 = ε2 / ε1 = 7/1 = U1 / U2;

U1 = 7 ∙ U2; U1 = 60 000-U2; 8 ∙ U2 = 60 000; U2 = 7500 V; E2 = U2 / d2 = 7500 V / cm.

Elektriskā lauka stiprums stiklā ir E2 = 7,5 kV / cm, un tā elektriskā izturība ir 150 kV / cm.

Šajā gadījumā stiklam ir 20 reizes lielāks drošības koeficients.

Gaisa spraugai mums ir: U1 = 60 000-7500 = 52500 V; E1 = U1 / d1 = 52500 V / cm.

Šajā gadījumā elektriskā lauka stiprums gaisa spraugā ir lielāks nekā pirmajā, bez stikla. Pēc stikla ievietošanas visa kombinācija ir mazāk izturīga nekā tikai gaiss.

Pārlūšanas risks rodas arī tad, ja stikla plāksnes biezums ir vienāds ar spraugu starp vadošajām plāksnēm, t.i. 2 cm, jo ​​spraugā neizbēgami būs plānas gaisa spraugas, kuras tiks caurdurtas.

Atstarpes starp augstsprieguma vadītājiem dielektriskā izturība jāpastiprina ar materiāliem, kuriem ir zema dielektriskā konstante un augsta dielektriskā izturība, piemēram, elektriskais kartons ar ε = 2. Izvairieties no materiālu kombinācijām ar augstu dielektrisko konstanti (stikls). , porcelāns) un gaisu, kas jāaizstāj ar eļļu.