HomePrint version English version

Meranie elektrickej pevnosti izolantov


Každý izolant má pri teplote miestnosti do určitej hodnoty intenzity elektrického poľa (napätia medzi elektródami) nepatrnú elektrickú vodivosť. Pri prekročení kritickej intenzity elektrického poľa, izolant stráca izolačné vlastnosti a jeho elektrická vodivosť sa zväčší o niekoľko rádov až takmer na úroveň vodivých materiálov - nastáva prieraz (preskok).

Elektrická pevnosť EP, je definovaná ako intenzita elektrického poľa, pri ktorej nastal prieraz. Elektrickú pevnosť možno vyjadriť vzťahom:

     Ep = Up / d
kde Ep [V.m-1]     je elektrická pevnosť izolantu,
       Up [V]           prierazné napätie izolantu a
       d [m]            vzdialenosť medzi elektródami, resp. hrúbka izolantu.

Pred samotným prierazom sa môžu na povrchu izolantu, resp. medzi elektródami vyskytnúť tzv. predprierazové javy:
• vznik koróny,
• vznik plazivého výboja,
• čiastkové (neúplné) výboje v dutinách izolantu,
• rast (vodivých) stromčekov a pod.

Mechanizmus prierazu závisí od skupenstva a typu materiálu. Fyzikálnou podstatou elektrického prierazu je náhly vzrast elektrickej vodivosti izolantu vyvolaný prudkým vzrastom koncentrácie voľných nosičov náboja.
Prieraz prechádza do trvalého elektrického oblúka v závislosti od typu zdroja (vnútorná impedancia), ako aj od impedancie prívodov, nastavenia ochrán a pod.
Po ukončení deja, t.j. po vypnutí elektrického oblúka (prúdu), môžu nastať rôzne typy poškodenia materiálu, v ktorom sa prieraz uskutočnil. Spravidla to závisí od skupenstva, ale aj chemického zloženia izolantu.

Po ukončení prierazu sa v jednotlivých skupenstvách môžu vyskytnúť nasledovné spôsoby degradácie, resp. poškodenia:

TUHÉ LÁTKY - spravidla trvalé poškodenie v závislosti od zloženia izolantu:
• v organických materiáloch spravidla vzniká vodivá „diera“,
• v anorganických materiáloch spravidla vzniká nevodivá „diera“, izolácia má
   v podstate elektrickú pevnosť vzduchu priestoru medzi elektródami,
• samoregenerovateľné systémy napr. metalizované izolačné fólie používané napr.
   v kondenzátoroch sa po prieraze „opravia“ odparením elektródy v mieste prierazu.

KVAPALINY - po prieraze vzniká takmer úplná regenerácia, ktorá závisí od rozsahu poškodenia kvapaliny (napr. množstvo uhlíka) vzniknutého počas prierazu.

PLYNY - po istom čase spravidla nastáva úplná regenerácia, okrem prípadu, že plyn sa rozkladá na navzájom nereagujúce zložky.

Prierazné napätie materiálov je závislé od viacerých faktorov, pričom okrem druhu materiálu je rozhodujúca najmä homogenita elektrického poľa namáhajúca izolant.

Na hodnotu elektrickej pevnosti, resp. preskokového (prierazného) napätia v plyne vplývajú viaceré faktory. V plyne je elektrická pevnosť závislá najmä od:
homogenity poľa,
polarity a druhu napätia (v prípade nehomogénneho poľa),
druhu plynu (ionizačná energia),
tlaku plynu (stredná voľná dráha),
frekvencie napätia.

Meranie elektrickej pevnosti tuhých látok sa vykonáva podľa normy STN IEC 243-1.
Táto norma popisuje skúšky na materiáloch v tvare dosiek, fólií a podobných plošných materiálov. Spravidla sa používajú elektródy zobrazené na nasledujúcom obrázku.

Elektropevnost obr_2
Elektródový systém na meranie prierazného napätia tuhých látok

Okrem vyššie uvedených elektród sú v norme špecifikované aj iné typy elektród.
V prípade, že pri skúške vznikajú okolo elektród významné prielektródové javy, resp. že preskok sa uskutočňuje po povrchu vzorky, je možné skúšky vykonať aj v elektroizolačnom oleji. Parametre izolačného oleja môžu relatívne významne ovplyvniť výsledok skúšky.
Niektoré typy materiálov sú zvlášť náchylné na absorpciu vlhkosti, preto je pred meraním elektrickej pevnosti predpísané tzv. kondicionovanie vzoriek.

Skúšky sa vykonávajú sínusovým napätím o frekvencii 50 Hz. Napätie sa plynulo alebo stupňovito zvyšuje až do prierazu. Pri plynulom zvyšovaní napätia má prieraz nastať medzi 10 až 20 sekúnd od začiatku zvyšovania napätia. Norma však umožňuje aj iné rýchlosti zvyšovania napätia. Podobne rôzne parametre zvyšovania napätia môžu byť aj pri stupňovite zvyšujúcom sa napätí. Používa sa stupeň trvajúci 20 sekúnd, ale aj s rôznymi stupňami až do 600 sekúnd.
V zápise zo skúšky elektrickej pevnosti materiálu musí byť podrobne uvedený opis skúšobných telies, použitý elektródový systém, spôsoby kondicionovania, hrúbka vzorky, stredná hodnota elektrickej pevnosti v kV/mm, indikácia miesta prierazu, ako aj ďalšie podmienky skúšok.

Elektrická pevnosť tuhých objemových elektroizolačných materiálov
s hrúbkou okolo 1 mm býva od 10 do 60 kV/mm.

Maximálne využívané intenzity elektrického poľa vo vysokonapäťových zariadeniach sa navrhujú okolo 1 kV/mm (max. 10 kV/mm).

Elektrická pevnosť výrazne závisí od času pôsobenia napätia.
Zariadenia nie sú nikdy navrhované na hranici elektrickej pevnosti izolantu, ale vždy s dostatočnou rezervou !

Pre hodnotu elektrickej pevnosti môže hrať významnú úlohu aj hrúbka izolácie. Elektrická pevnosť so zmenšujúcou sa hrúbkou môže významne rásť, viď nasledovný obrázok.
Elektropevnost obr_3
Závislosť elektrickej pevnosti od hrúbky vzorky

Napr. materiál, ktorý má pri hrúbke okolo 1 mm elektrickú pevnosť 50 kV/mm, môže mať pri hrúbke okolo 0,001 mm elektrickú pevnosť až 700 kV/mm.


Autor: Lelák J., Katedra elektrotechnológie FEI STU, Bratislava