خطوط انتقال و توزیع, مقالات
گازهای عایق الکتریکی یا گازهای دی‌الکتریک
مهر
گازهای عایق الکتریکی یا گازهای دی‌الکتریک
گازهای عایق الکتریکی یا گازهای دی‌الکتریک
مواد دی الکتریک اساسا عایق الکتریکی پایه و خالص هستند که با اعمال یک میدان الکتریکی قابل اندازه‌گیری، می‌توان گازهای دی‌الکتریک را قطبی کرد.خلاء، جامدات، مایعات و گازها می‌توانند یک ماده دی الکتریک باشند. گاز دی الکتریک را ب عنوان گاز عایق نیز می‌نامند.
این ماده دی‌الکتریک در حالت گازی است که می‌تواند از تخلیه الکتریکی جلوگیری کند. هوای خشک، هگزافلوئورید گوگرد (SF6) و غیره نمونه‌هایی از مواد دی‌الکتریک گازی هستند.دی الکتریک‌های گازی عملا عاری از ذرات باردار الکتریکی نیستند. هنگامی که یک میدان الکتریکی به یک گاز اعمال می شود، الکترونهای آزاد تشکیل می‌شوند.این الکترونهای آزاد در اثر نیروی الکتریکی که به آنها اعمال می‌شود از کاتد به آند شتاب می‌گیرند.هنگامی که این الکترون‌ها انرژی کافی برای خنثی کردن الکترون اتم ها یا مولکول‌های گازی بدست می‌آورند،الکترون ها توسط مولکول ها درگیر نمی‌شوند و غلظت الکترون ها به صورت نمایی می‌شود و نتیجتا یک شکست اتفاق می‌افتد.
گازهای کمی مانند SF6 دارای اتصال مولکولی قوی هستند (الکترون‌ها شدیدا به مولکول متصل هستند)، بعضی از آنها مثل اکسیژن دارای اتصال ضعیف هستند و برخی نیز مانند نیتروژن دارای هیچ‌گونه اتصالی نیستند.مثال‌هایی از گازهای دی‌الکتریک عبارتند از: آمونیاک، هوا، دی اکسید کربن، هگزا فلوراید سولفور (SF6)، مونوکسید کربن، نیتروژن، هیدروژن و غیره. رطوبت موجود در گازهای دی الکتریک ممکن‌است این خواص را تغییر دهد.
مقاله مرتبط:
خواص گاز SF6 در کلیدهای قدرت پست‌های GIS
انواع تست‌های عایقی فشار قوی
شکست در گازها
.منظور از شکست، افت مقاومت در گازهای عایق است و زمانی اتفاق می افتد که ولتاژ اعمالی بیش از ولتاژ شکست (مقاومت دی الکتریک) باشد
.در نتیجه این، گاز شروع به هدایت خواهد کرد. بدان معنا که افزایش ناگهانی ولتاژ در ناحیه‌ای کوچک از گاز ایجاد خواهد شد
.این منطقه با ولتاژ قوی، دلیل یونیزاسیون جزئی در نزدیکی گاز‌است و باعث‌می‌شود گاز شروع به هدایت کند که به طور عمدی در تخلیه‌های با فشار پایین (در یک رسوبگر الکترواستاتیک یا در چراغ‌های فلورسنت) انجام می‌گردد
.قانون پاشن[1] ، ولتاژی را ایجاد می‌کند که باعث شکست الکتریکی می‌شود را تقریب می‌زند که در واقع معادله‌ای است که ولتاژ شکست را به صورت تابعی از حاصلضرب فشار و طول شکاف بیان می‌کند
.در نتیجه نموداری بنام پاشن بدست می‌آید. نمودار پاشن برای هوا و آرگون در شکل 1 نشان داده‌شده‌است
.در اینجا، با کاهش فشار، ولتاژ شکست نیز کاهش می‌یابد و به تدریج افزایش می‌یابد تا از مقداراولیه فراتر رود. در فشار استاندارد، ولتاژ شکست با طول شکاف تا یک نقطه کاهش می‌یابد
وقتی طول شکاف در اطراف آن نقطه کاهش یابد، ولتاژ شکست شروع به افزایش می‌کند و از مقدار اولیه‌اش فراتر می‌رود.
ولتاژ شکست در شرایط فشار بالا و افزایش طول فاصله، کمابیش متناسب با حاصلضرب این دو‌است که تقریباً بدلیل اثرات الکترود متناسب می‌باشد (نامنظم بودن میکروسکوپی الکترودها ممکن است باعث شکست شود).
ولتاژ شکست گازهای دی الکتریک نیز تقریباً با چگالی متناسب می‌باشد.
مکانیزم شکست
مکانیزم شکست مستقیماً به ماهیت گازهای دی الکتریک و قطبیت الکترود که شکست در آن آغاز می‌گردد، بستگی دارد. اگر شکست در کاتد آغازشود، پس از آن تغذیه اولیه الکترون‌ها توسط خود الکترود صورت می‌گیرد.
سپس الکترون‌ها شتاب می‌گیرند، شکل گیری تعداد زیادی الکترون رخ می‌دهد و منجر به شکست می‌گردد.
اگر شکست از آند شروع شود، پس از آن تغذیه الکترون های اولیه توسط خود گاز صورت می‌گیرد، به عنوان مثال گاز هوا و SF6. یک نقطه تیز بسیار ریز در گاز ممکن‌است باعث ایجاد شکست در گاز گردد.
این اتفاق به دلیل فرآیند مرحله به مرحله شکست حاصل می‌شود که پدیده کرونا[2] مربوط به این امر می‌باشد. این پدیده در واقع یک رهاسازی (تخلیه) کوتاه مدت انرژی است که منجر به کانال های گازی یونیزه شده ضعیف می‌گردد.
وقتی میدان خیلی شدید باشد، یکی از این کانالها هدایت خواهد نمود.
خواص گازهای دی‌الکتریک
خواص ترجیحی یک ماده دی الکتریک گازی عالی به شرح زیر‌است:
- حداکثر مقاومت دی الکتریک
- انتقال گرمای خوب
- غیرقابل احتراق
- تغییرناپذیری شیمیایی در برابر مواد مورد استفاده.
- بی اثری
- عدم مسمومیت زیست محیطی
- دمای پایین چگالش
- ثبات حرارتی بالا
- مقرون به صرفه بودن
کاربرد گازهای دی الکتریک
این ماده در ترانسفورماتور، موجبرهای راداری، مدار شکن‌ها، کلیدهای سوئیچینگ، کلیدزنی ولتاژ بالا و خنک کننده‌ها استفاده می‌شود که معمولاً در ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند.
[1]Paschen’s law
[2] Corona formation