Obr. 5.19:Tvar rázovej vlny a jej parametret1 – doba čelat2 – doba poltylutč – skutočná doba čelaUm – maximálne napätie

0,1 Um

0,1 Um

0,5 Um

Um

tč

U

t1

t2 t

5.6. ELEKTRICKÁ PEVNOSŤ IZOLANTOV

5.6.1. Základné pojmy a prehľad problematikyZo skúseností vieme, že každá elektrická izolácia, každý výrobok alebo vzorka z elektroizolačného

materiálu znesie namáhanie elektrickým napätím len do určitej miery. Ak napätie prekročí určitú hodnotu, rôznu pri rôznych okolnostiach, nastane prieraz izolácie. Napätie, pri ktorom nastane prieraz, nazývame prierazným napätím Upr a odpovedajúcu hodnotu intenzity elektrického poľa v momente prierazu na dráhe prierazu nazývame elektrickou pevnosťou Epr izolantu. V prípade homogénneho elektrického poľa je intenzita elektrického poľa na celej dráhe prierazu všade rovnaká, a preto elektrickú pevnosť vypočítame zo vzorca:

E pr=U pr /dkde: d je vzdialenosť medzi elektródami.

V prípade nehomogénneho elektrického poľa elektrickú pevnosť v technickej praxi vypočítame podľa toho istého vzorca.

Pri rôznom tvare a usporiadaní elektród stupeň nehomogenity elektrického poľa je rôzny, a preto je aj elektrická pevnosť rôzna. Pre technickú prax majú najväčší význam dva krajné prípady, a to dokonale homogénne elektrické pole, ktoré sa vyskytuje napr. medzi guľovými elektródami, ak je vzdialenosť medzi nimi menšia ako priemer guľovej elektródy a krajné nehomogénne elektrické pole uskutočnené v laboratórnych podmienkach medzi hrotovou a doskovou elektródou. Všetky prípady nehomogénnych elektrických polí, ktoré sa vyskytujú v technickej praxi, nachádzajú sa medzi týmito dvoma krajnými prípadmi. Je preto základným údajom o elektrickom izolante, najmä plynnom' a kvapalnom, závislosť elektrickej pevnosti alebo prierazného napätia od vzdialenosti elektród pre usporiadanie guľa-guľa a hrot-doska.

Prieraz izolačného materiálu znamená náhly vzrast jeho elektrickej vodivosti, čím izolant stráca vlastnosti izolantu. Dôsledkom náhleho vzrastu vodivosti a náhleho zvýšenia prúdu pretekajúceho izolantom sú tepelné a mechanické deje. Rozlišujeme dve etapy, dve štádiá prierazu. Prvým štádiom je náhly vzrast elektrickej vodivosti a náhly vzrast prúdu pretekajúceho v mieste prierazu. Izolant už v prvom štádiu prierazu stráca vlastnosti izolantu, prestáva byť izolantom. Do druhého štádia prierazu patria všetky deje, ktoré sa odohrajú ako dôsledok pretekania značného elektrického prúdu v mieste prierazu: prepálenie vodivej cesty v organickom tuhom izolante, vznik vnútorných napätí a prasknutie krehkých anorganických izolantov, ako porcelán, sklo atd., vznik silného oblúka v plynnom a kvapalnom izolante a jeho tepelný účinok na izolant a elektródy atd.

Najdôležitejšími faktormi, ktoré majú vplyv na elektrickú pevnosť izolantov sú: forma (homogenita) elektrického poľa, druh napätia, tvar krivky napätia, doba pôsobenia napätia, teplota izolačného materiálu atd. Elektrické pole medzi elektródami, kde sa nachádza plyn alebo elektroizolačná kvapalina je dané len tvarom elektród a ich geometrickým usporiadaním. V prípade, keď' sa medzi elektródami nachádza tuhý elektroizolačný materiál, tvar elektrického poľa ovplyvňujú aj elektrické vlastnosti obklopujúceho prostredia.

Druh napätia a doba jeho pôsobenia sú veľmi dôležité pre elektrickú pevnosť. V technickej praxi môže nastať prieraz izolácie pôsobením atmosferických alebo komutačných prepätí, prevádzkového napätia, a to striedavého s frekvenciou priemyselnou alebo vyššou, alebo jednosmerného. Preto treba poznať a laboratórne merať elektrickú pevnosť pri napätí rázovom, jednosmernom a striedavom rôznych frekvencií. Elektrické namáhanie izolácie atmosferickýrni a komutačnými prepätiami v technickej praxi sa v laboratórnych podmienkach napodobuje pomocou rázového napätia získaného v rázových generátoroch. Tvar rázovej napäťovej vlny je na obr. 5.19. Hlavnými parametrami rázovej napäťovej vlny je maximálne napätie Um (kV), doba čela tč (s) a doba poltyla (s), t.j. doba, za ktorú poklesne napätie na 50 % maximálnej hodnoty. Elektrická pevnosť izolantov je rôzna pri rôznom tvare vlny, a preto sa k údajom rázovej elektrickej pevnosti ako parameter udáva zlomok, ktorého čitateľom je doba čela a menovateľom doba poltyla vlny.

Obr. 5.20:Dráha pohybu elektrónu v plyne pri pôsobení elektrického poľa

EE

Prierazné napätie sa meria v technickej praxi v kilovoltoch, elektrická pevnosť sa vyjadruje v kV/cm alebo v kV/mm. Najčastejšie používaným napätím v technickej praxi je striedavé napätie 50 Hz, preto aj väčšina údajov o prieraznom napätí a elektrickej pevnosti sa vzťahuje na takéto napätie a vyjadrené je v efektívnych hodnotách, čo sa indexmi nevyznačuje. Podobne sa nevyznačuje indexmi hodnota jednosmerného napätia a maximálna hodnota napätia rázovej vlny, ak je zrejmé, že sa použili pri meraniach takéto napätia. Pri porovnávaní elektrickej pevnosti nameranej pri rôznych napätiach, treba často vyjadriť striedavé napätie vo vrcholovej hodnote napätia, čo vyznačujeme v ďalšom texte v rozmere napätia kVmax alebo v rozmere elektrickej pevnosti kVmax/cm.

Fyzikálna podstata prierazu a elektrickej pevnosti izolantov je rôzna v rôznych skupenstvách. Problematika elektrickej pevnosti je teoreticky aj experimentálne najlepšie spracovaná pre plynné izolanty, dobre je spracovaná pre tuhé izolanty a veľmi málo pre kvapalné izolanty.

Prieraz plynných izolantov je spôsobený nárazovou ionizáciou a fotoionizáciou. V homogénnom elektrickom poli prieraz plynu vzniká náhle, v nehomogénnom poli prierazu predchádza koróna.

Prieraz kvapalných izolantov vzniká následkom tepelných a ionizačných procesov. Jedným z najdôležitejších faktorov napomáhajúcich prierazu sú nečistoty v izolačnej kvapaline.

Prieraz tuhých izolantov môže byť spôsobený alebo elektrickými, alebo tepelnými procesmi odohrávajúcimi sa vplyvom elektrického poľa.

Čiste elektrický prieraz tuhých izolantov súvisí s elektronickými procesmi v izolante, vznikajúcimi v silnom elektrickom poli a vedúcimi k náhlemu rýchlemu miestnemu vzrastu prúdovej hustoty v momente prierazu.

Tepelný prieraz tuhých izolantov je dôsledkom tepelne elektrickej nerovnováhy izolantu. Izolant sa v elektrickom poli zohrieva dielektrickými stratami, čo vedie k zvýšeniu činiteľa dielektrických strát tg so vzrastajúcou teplotou a k ďalšiemu vzrastaniu teploty izolantu, Dôsledkom môže byť tepelne - elektrická rovnováha pri takej teplote, keď' množstvo vznikajúceho tepla je rovnaké ako množstvo tepla odvádzaného do okolia, alebo tepelne - elektrická nerovnováha, ktorá vedie k neobmedzenému vzrastaniu teploty a tepelnému rozkladu tuhého izolantu.

Pri dlhodobom pôsobení napätia prieraz môže byť zapríčinený elektrochemickými procesmi a procesmi takzvaného elektrického starnutia, ktoré prebiehajú v izolante za určitých podmienok vplyvom elektrického poľa.

5.6.2. Fyzikálna podstata elektrického prierazu plynovNiektoré plyny sú technicky používanými izolantmi. Vzduch tvorí izolačné prostredie v mnohých

elektrických zariadeniach, napr. pri vedeniach, v rozvodniach, v kondenzátoroch, transformátoroch, v zariadeniach a v prístrojoch oznamovacej elektrotechniky atd. Niektoré plyny, ako dusík, fluorid sírový - elegaz, oxid uhličitý sa používajú pri normálnom alebo zvýšenom tlaku ako izolanty v kondenzátoroch, kábloch a iných zariadeniach. Ako izolačné prostredie v novodobých vypínačoch vvn sa používa hexafluorid síry alebo vákuum. Treba preto poznať elektrickú pevnosť plynných izolantov a jej fyzikálnu podstatu, t.j. deje, ktoré sa odohrávajú pri prieraze plynu.

Pre bežné silnoprúdové aplikácie treba poznať elektrické vlastnosti vzduchu a ostatných plynov pri tlaku blízko jednej atmosféry, ako aj pri zvýšených tlakoch. Pretože však vzduch tvorí izolačné prostredie v moderných oznamovacích a zabezpečovacích prístrojoch a zariadeniach, ktoré musia pracovať, niekedy napr. v súvislosti s leteckou dopravou, v prostredí s tlakom oveľa nižším ako na povrchu zeme, treba poznať vlastnosti plynných izolantov aj pri znížených tlakoch. V odvetví vákuovej elektrotechniky pri výrobe a konštrukcii elektrónok, žiaroviek, žiariviek, výbojok atd., potrebujeme poznať elektrickú pevnosť plynov pri nízkych tlakoch a elektrickú pevnosť vákua.

Plyny majú za normálnych okolností elektrickú pevnosť približne o jeden rád nižšiu ako kvapalné a bežné tuhé izolanty a asi o dva rády (t.j. stokrát) nižšiu ako kvalitné tuhé izolanty.

Fyzikálnou podstatou prierazu plynu je nárazová ionizácia a fotoionizácia. Preberieme základné poznatky teórie prierazu plynu a najdôležitejšie poznatky o elektrickej pevnosti plynov v homogénnom a nehomogénnom elektrickom poli a elektrickej pevnosti vákua.

Každý plyn obsahuje nepatrné množstvo elektricky nabitých častíc, t.j. kladných a záporných iónov a elektrónov. Tak napr. vzduch za normálnych okolností obsahuje v každom kubickom centimetri asi 500 dvojíc elektricky nabitých kladných a záporných častíc. Kladne nabitými časticami sú ióny vzniknuté z neutrál-nych molekúl ionizáciou vyvolanou

A B

CD

Obr. 5.21:Schematické znázornenie rastu striméru pri prieraze plynu

vonkajšími ionizačnými činiteľmi, ako je kozmické, rádioaktívne, röntgenové žiarenie dostatočnej energie atd. Ionizáciou vzniknutý elektrón sa pri jednej z najbližších zrážok spojí pri väčšine plynov s neutrálnou molekulou na záporný ión. Pretože životnosť samostatného elektrónu je oveľa kratšia ako životnosť iónu, záporne nabité častice sú v prevažnej časti ióny a len v malej časti volné elektróny. Celkový počet molekúl vzduchu v kubickom centimetri za normálnych okolností je asi 2,7.1019, takže približne len jedna z 2,7.1016 častíc nesie elektrický náboj.

Ak plyn nie je v elektrickom poli, elektricky nabité častice sa pohybujú tepelným pohybom, t. j, rovnakým spôsobom ako častice (molekuly) bez elektrického náboja, pričom kinetická energia všetkých častíc je rovnaká, ale iba v štatistickom priemere, pretože v jednotlivých okamihoch sa kinetická energia každej častice môže odchyľovať od strednej hodnoty. Ióny majú prakticky rovnakú hmotu ako molekuly bez elektrického náboja, a preto aj rýchlosť ich pohybu je rovnaká. Elektróny majú hmotu podstatne menšiu, a preto pri rovnakej kinetickej energii sa pohybujú podstatne rýchlejšie. Ak majú elektróny rovnakú kinetickú energiu (t.j. rovnakú „teplotu“) hovoríme, že sú v plyne v tepelnej rovnováhe.

Ak sa plynný izolant nachádza v elektrickom poli, elektricky nabité častice sú urýchľované, a to kladné v smere a záporné proti smeru elektrického poľa. Na tepelný pohyb, ktorý sa vyznačuje rovnomernou rýchlosťou medzi zrážkami a zmenou smeru a rýchlosti pohybu pri zrážkach sa superponuje rovnomerne zrýchlený pohyb v smere (proti smeru) poľa. Pri zrážkach však elektricky nabitá častica stráca väčšinu získanej energie, takže rýchlosť pohybu v smere poľa nevzrastá ako pri pohybe rovnomerne zrýchlenom, ale je na dlhšej dráhe v priemere približne rovnomerná. Dráha pohybu sa teda neskladá z priamych úsečiek, ale z oblúčikov. Dráha pohybu iónu v elektrickom poli je schematicky znázornená na obr. 5.20. Ión sa pohybuje od jednej elektródy k druhej po kľukatej dráhe, ktorej jednotlivé úseky sa málo líšia od priamok. Zodpovedá to prípadu, keď rýchlosť usmerneného pohybu spôsobená intenzitou elektrického poľa je oveľa menšia ako rýchlosť tepelného pohybu, čo odpovedá skutočnosti pre pomerne slabé elektrické pole. Elektricky nabitá častica získava v elektrickom poli energiu:

W=q .U λ (1)kde: q je náboj,

U - spád napätia na dĺžke strednej voľnej dráhy.Ak je pole dostatočne homogénne, potom možno písať

U λ=E . λstr (2)kde: E je intenzita elektrického poľa,

str - stredná volná dráha, t.j. stredná vzdialenosť, ktorú prejde elektricky nabitá častica bez zrážky.

Stredná voľná dráha iónu je rovnaká ako stredná volná dráha neutrálnej častice, stredná voľná dráha elektrónu je väčšia pre jeho menší priemer.

Z oboch rovníc platí:

W=E .q .λstr (3)Rovnica (3) vyjadruje energiu, ktorú elektricky nabité častice získavajú z elektrického poľa, a ktorá

zväčšuje kinetickú energiu ich pohybu. Pri zrážkach s neutrálnymi časticami elektricky nabité častice odovzdávajú získanú energiu. Zrážky môžu byť pružné alebo nepružné. Pri pružných zrážkach energia odovzdaná elektricky nabitou časticou neutrálnej častici zvyšuje kinetickú energiu neutrálnej častice, a teda mení sa na teplo. Pri nepružnej zrážke nastáva ionizácia neutrálnej častice, t.j. vyrazenie elektrónu z nej. Je možné aj vybudenie molekuly, t.j. prechod elektrónu na vyššiu kvantovú

dráhu. Vybudený stav rýchle zaniká. Životnosť väčšiny vybudených stavov, t.j. čas po ktorý je elektrón na dráhe vzdialenejšej od jadra, je malý, rádove 10-7

až 10-8s. Pri zániku vybudeného stavu sa uvoľňuje energia vo forme žiarenia.Podmienkou ionizácie je: W => Wi (4)

Kde: Wi je ionizačná energia molekuly plynu.

Energia W zahrňuje v sebe aj energiu tepelného pohybu. Z rovníc (3) a (4) dostaneme:

E .q . λstr≥W i (5)

Obr. 5.23:Vývoj lavíny a striméru v časeA , B – štádia rozvoja prvotnej lavíny (elektróny v čele lavíny)C – lavína po krátkom časovom okamihu, elektróny vstupujú do kladnej elektródy, zostáva priestorový náboj kladných iónov. Intenzívna fotoionizácia

Obr. 5.24:

Vývoj lavíny a striméru v časeD, E – vznik kanála výboja (iskry)

Ionizačné energie molekúl plynu sa málo líšia od ionizačných energií atómov, okrem prípadov jednoatómových plynov, ako sú He, Ne, Ar, Kr, Xe a pary kovov, keď' sú totožné. Napríklad ionizačná energia atómu vodíka je 13,54 eV, molekuly vodíka 15,9 eV, atómu dusíka 14,51 eV, molekuly dusíka 15,8 eV, atómu kyslíka 13,57 eV, molekuly kyslíka 12,5 eV, molekuly oxidu uhličitého 14,4 eV, mo-

lekuly vody 12,7 eV. Ionizačná energia molekúl všetkých plynov a všetkých atómov je v rozmedzí od 4 do 25 eV.

Pri danom tlaku a teplote plynu nárazová ionizácia začína pri určitej veľkosti intenzity elektrického poľa, pretože q aj str v rovnici (5) sú konštanty pre daný plyn. Napätie, pri ktorom nárazová ionizácia začína, nazýva sa ionizačným napätím, alebo počiatočným napätím.

V niektorých plynoch, napr. v kyslíku, oxidu uhličitom, parách vody, voľný elektrón vzniknutý ionizáciou pri jednej z prvých zrážok s neutrálnou molekulou sa s ňou spojí a premení ju na záporný ión. Spojenie elektrónu s molekulou spôsobí také preskupenie v elektrónovom obale molekuly, ktorého výsledkom je nižšia energia záporného iónu oproti energii neutrálnej molekuly. Rozdiel energií nazývame energiou afinity k elektrónu a pre rôzne plyny je táto hodnota v rozmedzí od 0,75 do 4,5 eV. V inertných plynoch, t.j. v héliu, neóne, argóne, kryptóne a xenóne, ako aj v dusíku záporné ióny nevznikajú. Pri výboji vo vzduchu vznikajú kladné ióny 0+, 02

+, N+, N2+, NO+.

Pri nárazovej ionizácii hlavnú úlohu majú elektróny. Zdalo by sa, že aj ióny, podobne ako elektróny, po získaní energie z elektrického poľa na voľnej dráhe budú pri zrážkach ionizovať neutrálne molekuly. V skutočnosti však ióny pri energiách rádove stoviek a tisícov elektrónvoltov neionizujú pri náraze molekuly. Príčin je niekoľko. Elektróny majú v dôsledku svojho menšieho efektívneho prierezu väčšiu strednú voľnú dráhu a získavajú za inak rovnakých podmienok väčšiu energiu medzi zrážkami. Pretože majú väčšiu strednú voľnú dráhu a menšiu hmotu v porovnaní s iónmi, majú väčšiu

Obr. 5.22:Schéma lavínovitého narastania počtu voľných elektrónov a iónov postupujúcou nárazovou ionizáciou spôsobenou jediným elektrónom vyrazeným z elektródy fotónom

100

10

1

10-9 sČas fo

rmo

van

ia prierazu

pohyblivosť. Pri ionizácii elektrónom vznikajúci elektrón je odpudzovaný, naproti tomu však pri nárazovej ionizácii kladným iónom vznikajúci elektrón je k iónu priťahovaný a ľahko rekombinuje. Ak kladný ión, urýchlený elektrickým poľom, narazí na vonkajší elektrón neutrálnej molekuly, podmienky pre vyrazenie elektrónu sú nepriaznivé, pretože pri veľkom rozdiele hmôt, energia odovzdaná elektrónu pri náraze je malá.

V podmienkach výboja kladné ióny narážajúce na povrch katódy vyrážajú elektróny.Pri vzniku prierazu plynu okrem nárazovej ionizácie dôležitú úlohu má aj fotoionizácia. Zánikom

vybudeného stavu elektrónu vzniká žiarenie - fotóny, šíriace sa rýchlosťou 3.108m/s, teda rýchlosťou oveľa väčšou ako rýchlosť narastania lavíny na všetky strany a môžu vyvolať ionizáciu v inom mieste priestoru medzi elektródami. Fotóny uvoľnené pri prechode vzbudenej molekuly plynu do normálneho stavu nemôžu priamo ionizovať molekulu toho istého plynu, je však možná postupná ionizácia. V zmesi plynov sa môže stať, že budiaca energia jedného plynu je väčšia ako ionizačná energia druhého plynu. Potom je možná aj priama ionizácia. Plyn môže obsahovať aj niekoľkonásobne ionizované molekuly alebo atómy, alebo ionizované atómy vo vzbudenom stave, ktorých potenciálna energia je veľmi veľká. Pri uvoľnení tejto energie sa, vytvoria fotóny s veľkou energiou. Výboj v plyne vyžaruje lúče krátkej vlnovej dĺžky, a preto je intenzívnym ionizačným činiteľom pre okolitý vzduch.

Na obr. 5.21 je znázornená schéma, ktorá ukazuje, prečo rast elektricky vodivého kanála - strimra je rýchlejší ako rast elektrónovej lavíny. Lavíny sú schematicky nakreslené ako šrafované trojuholníky, dráhy fotónov čiarkovanými čiarami. Vnútri každého kužeľa lavíny znázorneného šrafovaným trojuholníkom a znázorňujúceho vyvíjajúcu sa lavínu, sa plyn ionizuje nárazmi elektrónov. Novovznikajúce elektróny odštiepené z neutrálnych molekúl sú urýchľované poľom a rozbíjajú, ionizujú ďalšie neutrálne molekuly, na ktoré narazia. Takto lavínovitým spôsobom narastá počet elektrónov pohybujúcich sa (rýchlo) k anóde a počet kladných iónov pohybujúcich sa (pomaly) ku katóde. Dráhy fotónov označené vlnitými čiarami vychádzajú z atómov, ktoré boli vybudené nárazom elektrónu a pri zániku vybudeného stavu vyžiarili fotón. Fotóny pohybujúce sa rýchlosťou 3.108 m/s predbehnú lavínu a na niektorom mieste, ktoré je znázornené koncom vlnitej čiary, ionizujú časticu plynu. Ionizáciou vzniknutý elektrón je urýchľovaný k anóde a vyvolá vznik novej lavíny, ďaleko vpredu pred _prvou lavínou. Takto, kým prvá lavína narastie na veľkosť znázornenú úsečkou AB na obr. 5.21, zatiaľ strimer, elektricky vodivý kanál narastie na veľkosť znázornenú úsečkou CD.

V ďalšom štádiu jednotlivé lavíny v zápornom strimri narastú natoľko, že sa spoja navzájom a vytvoria súvislý kanál ionizovaného plynu.

Súčasne s rastom strimra smerujúceho od katódy k anóde začína sa formovať opačne smerujúci lavínový útvar zložený z kladných iónov smerujúci ku katóde. Kladný strimér je kanálom plazmy plynového výboja, vznik a vývoj ktorého je schematicky nakreslený na obr. 5.22, 5.23 a 5.24. Jeho základom sú kladné ióny, ktoré zanecháva za sebou lavína elektrónov. Koncentrácia kladných iónov je najväčšia tam, kde elektrónová lavína dosiahla najväčší rozvoj, t.j. okolo anódy. Ak koncentrácia kladných iónov dosiahne určití hodnotu rádove 1012

iónov v 1 cm3, vtedy jednak

vzniká intenzívna fotoionizácia, jednak elektrón vznikajúce fotoionizáciou sú priťahované kladným priestorovým nábojom do čelnej časti kladného strimra a jednak koncentrácia kladných iónov na dráhe strimra sa zväčšuje v dôsledku fotoionizácie. Všetky tieto deje spôsobujú, že priestor naplnený kladnými iónmi sa nasýti elektrónmi a zmení sa na plazmu výboja v plyne. Na obr. 5.23 a 5.24 vidno, ako mnohé elektróny vzniknuté fotoionizáciou sú vťahované do priestoru najväčšej koncentrácie kladných iónov, do čelnej časti kladného strimra.

Nárazmi kladných iónov na katódu -- iónovým bombardovaním - vzniká na katóde katódová škvrna, ktorá emituje elektróny. Opísané deje sú fyzikálnou podstatou prierezu plynu. Prieraz plynu prebehne prakticky okamžite. Čas formovania prierazu pri vzdialenosti elektród 1 cm je asi 10-7 až 10-8

s.Čím vyššie je napätie pôsobiace na vrstvu plynu medzi elektródami, tým rýchlejšie sa vyvíja, ako

vidieť na obr. 5.25, prieraz, a naopak, čím kratšie napätie pôsobí, tým väčšia hodnota napätia je potrebná, aby prieraz vznikol. Zvýšenie prierazného napätia pri krátkotrvajúcich napäťových impulzoch, t.j. pri rázovom napätí, sa obyčajne charakterizuje koeficientom impulzu:

β=U pr .imp /U pr (6)kde: Upr.imp je prierazné napätie pri danom impulze,

Upr je prierazné napätie pri jednosmernom alebo striedavom napätí 50 Hz.Koeficient impulzu v podmienkach prakticky sa vyskytujúcich v silne nehomogénnych poliach môže

dosiahnuť hodnotu do 1,5.Elektrická pevnosť plynov veľmi závisí od stupňa homogenity elektrického poľa.

40

30

20

10

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

%

Upr [kV]

2,5 mm

Obr. 5.26:Závislosť prierazného napätia transformátorového oleja od obsahu vody

5.6.3. Elektrická pevnosť kvapalných izolantovElektrická pevnosť a prieraz kvapalných izolantov sú z experimentálnej a teoretickej stránky

preštudované omnoho menej ako prieraz a elektrická pevnosť plynných a tuhých izolantov, hoci majú veľký praktický význam a hoci existuje veľké množstvo experimentálnych údajov. O elektrickej pevnosti plynov a tuhých izolantov existuje veľké množstvo hodnoverných a overených údajov, ktoré sa opierajú o dostatočne prepracovanú teóriu. V oblasti kvapalných izolantov je situácia neuspokojivá. Experimentálne údaje sú často ovplyvnené podmienkami experimentu, a nie dostatočne definovanými známymi vlastnosťami použitých izolačných kvapalín. Preto v experimentálnych údajoch niet dostatočnej zhody a len časť údajov je hodnoverná a dostatočne overená.

Takáto situácia má dve hlavné príčiny. Predovšetkým je to skutočnosť, že teória kvapalného skupenstva hmoty nedosiahla dosial tú úroveň, na ktorej je teória plynného a tuhého skupenstva. Druhou hlavnou príčinou je to, že proces prierazu izolačnej kvapaliny a veľkosť prierazného napätia závisí od celého radu náhodných faktorov, z ktorých hlavným sú nečistoty v izolačnej kvapaline. Táto závislosť je oveľa väčšia ako pri plynných a tuhých izolantoch.

5.6.3.1. Vplyv nečistôt na elektrickú pevnosť

V procese prierazu kvapalného izolantu majú podstatný význam primiešaniny a nečistoty, a to nielen tuhé, ale aj kvapalné a plynné, plyn rozpustený v kvapaline a plynové bubliny. Pojem dielektricky čistá kvapalina je veľmi neurčitý. Na získanie reprodukovateľných hodnôt prierazného napätia kvapaliny a dostatočne malého rozptylu experimentálnych hodnôt zďaleka nestačí chemická čistota izolačnej kvapaliny. To znamená, že nečistoty obsiahnuté v takom malom množstve, že nie je možné chemickými metódami je zistiť, majú podstatný vplyv na veľkosť elektrickej pevnosti izolačnej kvapaliny.

Pri experimentálnom štúdiu elektrickej pevnosti extrémne čistých kvapalných izolantov sa chemicky čistá izolačná kvapalina čistí fyzikálnymi metódami a čistiace procesy sa opakujú dovtedy, kým elektrická pevnosť izolačnej kvapaliny nedosiahne vysokú ustálenú hodnotu elektrickej pevnosti s nepatrným rozptylom, ktorá sa ďalším opakovaním čistiacich procesov ďalej nezvyšuje. Takto samotná veličina elektrickej pevností je kritériom dielektrickej čistoty kvapalných izolantov. Ex-perimentálne práce posledných rokov týkajúce sa extrémne čistých kvapalných izolantov dávajú prvé spoľahlivé údaje o elektrickej pevnosti samotných kvapalných izolantov. Na základe týchto experimentálnych prác vznikajú prvé základné poznatky teórie prierazu kvapalných izolantov. Tieto práce dosiaľ nemajú bezprostredný

význam, pre technickú prax, predsa však dávajú perspektívu zvládnutia problematiky elektrickej pevnosti kvapalných izolantov a jej teoretického prepracovania, čo môže mať v budúcnosti veľký význam.

Elektrická pevnosť extrémne čistých izolačných kvapalín dosahuje hodnôt 800 až 1000 kV/cm, ktoré sú rovnako vysoké ako pri kvalitných pevných izolantoch a päť až desaťnásobne vyššie oproti hodnotám elektrickej pevnosti technicky čistých kvapalných izolantov.

Pri štúdiu základných zákonitostí prierazu a elektrickej pevnosti tekutých izolantov extrémne čistých a často aj technicky čistých sa popri technicky používaných izolačných kvapalinách, ako je transformátorový olej často používajú aj izolačné kvapaliny, ktoré sú chemickými látkami s jednoduchou chemickou štruktúrou, hoci sa v technickej praxi ako izolanty nepoužívajú. Takýmito látkami sú napr. benzén, xylén, hexán, atď.

5.6.3.2. Vlastnosti nečistôt v kvapalných izolantoch

V technicky čistých kvapalných izolantoch chemické zloženie kvapalného izolantu má malý vplyv na elektrickú pevnosť. Najpodstatnejší vplyv majú nečistoty, cudzie látky obsiahnuté v tekutom izolante. Môžeme ich rozdeliť na dve skupiny:

1. Nečistoty rozpustené v izolačnej kvapaline:a) nečistoty, molekuly ktorých nemajú dipólový moment, b) dipólové nečistoty,c) nečistoty rozpustené elektrolyticky.

2. Nečistoty, ktoré tvoria s izolačnou kvapalinou koloidnú sústavu: a) emulziu (plynné alebo kvapalné koloidné častice),b) suspenziu (tuhé koloidné častice).

Tabuľka 24: Vplyv postupného čistenia na elektrickú pevnosť transformátorového oleja

Obr. 5.27:Závislosť prierazného napätia transformátorového oleja suchého 1 a vlhkého 2 od teploty

0

20

40

-40 0 40 80 [°C]

Up

r [kV] 1

2

2,5 mm

Obr. 5.28:Závislosť elektrickej pevnosti oleja od teploty; obsah vody je 0,01%

Epr [kV/cm]

220

180

140

100

20 40 60 80

[°C]

Cudzie látky rozpustené v izolačnej kvapaline majú malý vplyv na elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny. Neutrálne látky, úplne rozpustené v základnej izolačnej kvapaline, zrejme nemôžu znižovať elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny. Rozpustené dipólové látky, ktoré sa nerozpadajú na ióny, pri nízkych frekvenciách neznižujú elektrickú pevnosť, pri vyšších frekvenciách môžu znižovať elektrickú

pevnosť v dôsledku tepelných dejov.

Látky elektrolyticky rozpustené znižujú elektrickú pevnosť, hoci ich vplyv na elektrickú pevnosť nie je taký veľký ako vplyv na elektrickú vodivosť. Napríklad pridaním kyseliny pikrovej do benzolu sa elek-trická vodivosť zvýši desaťkrát a elektrická pevnosť sa zníži asi o 30 %.

Podstatne väčší vplyv majú nečistoty druhej skupiny. Nepatrný obsah vody v transformátorovom oleji veľmi znižuje jeho elektrickú pevnosť, pretože voda je prítomná z väčšej časti v tvare malých kvapôčok koloidných rozmerov a vytvára s olejom emulziu. Na obr. 5.26 je závislosť elektrickej pevnosti transformátorového oleja od obsahu vody.

Veľký vplyv na elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny majú aj koloidné častice tuhých látok, najmä hygroskopické úlomky celulózových vlákien, ktoré sa dostanú do oleja z papierovej a inej vláknitej izolácie transformátorov a iných elektrických zariadení. Tieto častice pevných látok majú vyššiu dielektrickú permitivitu ako transformátorový olej, a preto sú v striedavom elektrickom poli vťahované do miest elektrického poľa s najvyššou intenzitou. Môžu vytvoriť spojité reťazce, mostíky, medzi elektródami, pozdĺž ktorých vzniká prieraz. Takýmto účinkom znižujú elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny. Odstránenie prímesí, ako znázorňuje tab. 24, veľmi zvyšuje elektrickú pevnosť kvapalného izolantu.

5.6.3.3. Voda v oleji a jej vplyv na elektrickú pevnosť'

Voda môže byť súčasťou oleja v roztoku alebo emulzii. Emulzia v oleji býva stabilizovaná povrchovo aktívnymi látkami absorbovanými na rozhraní kvapôčky vody a oleja. Povrchovo aktívnymi látkami v transformátorovom oleji bývajú voľné nafténové kyseliny, mydlá a polárne živice, ktoré sú v oleji v koloidnom stave. Od charakteru a koncentrácie povrchovo aktívnych látok je závislý stupeň ich adsorpcie k hranici olej - voda a koeficient rozdelenia vody obsiahnutej v oleji medzi vodu rozpustenú a emulgovanú. Pretože emulgovaná voda znižuje elektrickú pevnosť oleja oveľa viac ako rozpustená voda, elektrická pevnosť rôznych olejov s rovnakým celkovým obsahom vody je rôzna podľa toho, aké množstvo povrchovo aktívnych látok olej obsahuje, a teda podľa toho, aká časť vody je v emulzii.

Voda má podstatne vyššiu (asi 80) relatívnu permitivitu ako olej (2,2). Preto sú koloidné častice vody vťahované do miest s najvyššou intenzitou elektrického poľa. Účinkom elektrického poľa sa deformujú, preťahujú sa v smere elektrického poľa, vytvárajú reťazce, pozdĺž ktorých prebieha prieraz. Malé množstvá vody (asi do 0,01 %), ako vidieť z obr.5.26, veľmi znižujú elektrickú pevnosť oleja, ďalšie množstvá už menej, pretože pre elektrickú pevnosť je rozhodujúce množstvo vody schopné vytvoriť jeden jediný reťazec kvapôčok vody - mostík medzi elektródami. Ďalšie paralelné

reťazce pri vyššom obsahu vody majú na elektrickú pevnosť len nepatrný vplyv. Emulgovaná voda má najväčší vplyv na elektrickú pevnosť oleja v homogénnom elektrickom poli, pretože kvapôčky vody z celého objemu putujú pozdĺž ekvipotenciálnych plôch do miesta najsilnejšieho elektrického poľa a priestor medzi elektródami rovnomerne vypĺňajú. V nehomogénnom elektrickom poli sa kvapôčky vody hromadia v miestach elektrického poľa s najvyššou intenzitou a nevypĺňajú rovnomerne priestor medzi elektródami. Preto aj ich vplyv na elektrickú pevnosť je menší ako v homogénnom poli.

So zvyšovaním teploty sa zvyšuje rozpustnosť vody v oleji, a preto časť emulgovanej vody prechádza do roztoku. To sa prejaví vzrastom elektrickej pevnosti kvapalného izolantu, ktorý obsahuje

Obr. 5.29:Vplyv plynových bublín na elektrickú pevnosť kvapaliny v závislosti od teploty a tlaku

Upr [kV]

0

10

20

30

40 80 120 [°C]

150 mmHg

750 mmHg

450 300 600

U [kVmax]

700

d [cm]

560

420

280

140

01 32

50 Hz

4

¼ s

1/25 s

1/80 s

1/2100 s

d2r

Obr. 5.30:Závislosť prierazného napätia od vzdialenosti medzi elektródami v izolačnej kvapaline. Homogénne elektrické pole.

vodu v závislosti od teploty. Na obr. 5.27 je závislosť elektrickej pevnosti transformátorového oleja od teploty pre suchý a vlhký olej. Pri suchom oleji je elektrická pevnosť takmer nezávislá od teploty až do 80 °C, potom mierne klesá. Pr1 vlhkom transformátorovom oleji je najnižšia w elektrická pevnosť v blízkosti 0 °C, keď je najväčšia časť vody v emulzii. Vzrast elektrickej pevnosti s teplotou klesajúcou pod 0 °G súvisí so stuhnutím vody na ľad a so zvýšením viskozity oleja, čím sa znižuje pohyblivosť koloidných častíc. Vzrast elektrickej pevnosti so vzrastom teploty nad 0 °C súvisí s prechodom emulgovanej vody do roztoku.

Teplotná závislosť elektrickej pevnosti transformátorového oleja obsahujúceho vodu vykazuje rôzne vysoké maximum podľa množstva obsiahnutej vlhkosti. Zvyšovanie elektrickej pevnosti so vzrastom teploty sa spočiatku vysvetľovalo odparovaním vody z oleja. Merania, pri ktorých sa zisťovala elektrická pevnosť pri zohrievaní a ochladzovaní oleja, však ukázali, že je to tak len čiastočne. Na obr. 5.28 je uvedená závislosť elektrickej pevnosti oleja od teploty, pričom olej obsahoval 0,01 % vody. Keby zvyšovanie elektrickej pevnosti spôsobilo unikanie vody z oleja, elektrická pevnosť pri ochladzovaní by musela byť podstatne vyššia, ako bolo namerané a neznižovala by sa s poklesom teploty. Výsledok pokusu ukázal, že obsah vody v oleji sa so zvyšovaním teploty len málo mení, ale že sa voda v oleji nachádza zrejme v inej forme pri nižších teplotách ako pri vyšších.

Vplyv vlhkosti na elektrickú pevnosť je veľmi veľký vtedy, ak olej obsahuje celulózové a iné organické vlákna. Tieto vlákna sú veľmi hygroskopické, ich dielektrická permitivita sa zvýši, a preto sa mostíky tvoria ľahšie.

Pokles elektrickej pevnosti nad 80 °C pri suchom a vlhkom oleji súvisí so vznikom plynových bubliniek v oleji v dôsledku odparovania vody a prchavých zložiek oleja. Vznikajúce plynové bublinky majú malú hodnotu elektrickej pevnosti, vznikajú v nich výboje a ionizácia. Ionizovaný plyn je elektrostaticky ekvivalentný látke s vysokou dielektrickou permitivitou, a preto sú plynové bublinky

vťahované do miest najsilnejšieho elektrického poľa a preťahované v smere elektrického poľa od elektródy k elektróde. Takto vzniká úzky plynový kanál medzi elektródami, v ktorom vzniká prieraz.

5.6.3.4. Závislosť elektrickej pevnosti kvapalných izolantov od teploty, tlaku a vzdialenosti elektród

Tak, ako sú pre elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny nebezpečné plynové bublinky vznikajúce odparovaním ľahko odpariteľných zložiek kvapaliny a vody, rovnako nebezpečné sú aj plynové bublinky, ktoré vznikajú čiastočnou rozpustnosťou plynov (dusíka, kyslíka, vodíka) v kvapaline a zmenou tejto rozpustnosti s teplotou. Preto nielen tuhé a tekuté koloidné častice sú v oleji nežiadúce, ale aj plynové bublinky. Vplyv plynových bubliniek na elektrickú pevnosť izolačnej kvapaliny a jej závislosť od teploty a tlaku vidieť názorne na obr. 5.29, na ktorom je závislosť elektrickej pevnosti xylolu od teploty a tlaku. Pri teplotách asi 20 °C elektrická pevnosť málo závisí od tlaku. So

Obr. 5.31:Závislosť prierazného napätia od vzdialenosti medzi elektródami v izolačnej kvapaline. Nehomogénne elektrické pole.

d [cm]

U [kVmax]

700

560

420

280

140

0 4 128

50 Hz

16

¼ s

1/10 s

1/27 s 1/80 s

1/2100 s

d

1

2

3

4

d [cm]

E [kV/cm]

6420

50

150

100

200

Obr. 5.32:Elektrická pevnosť transformátorového oleja v závislosti od vzdialenosti medzi elektródami pri rôznom stupni čistoty

vzrastajúcou teplotou klesá elektrická pevnosť najprv pomaly, potom stále rýchlejšie, až v blízkosti teploty varu veľmi rýchle k nule. Zníženie tlaku vedie k zníženiu teploty varu a k prudkému poklesu elektrickej pevnosti pri nižších teplotách. Hodnoty krivky na obr. 5.29 boli namerané pri jednosmernom napätí.

Závislosť elektrickej pevnosti od vzdialenosti elektród je rôzna podľa stupňa čistoty. Pri veľmi čistých izolačných kvapalinách so vzdialenosťou elektród do 1 cm elektrická pevnosť takmer nezávisí od hrúbky vrstvy izolačnej kvapaliny. Pri väčších vzdialenostiach možno pozorovať pokles elektrickej pevnosti so vzrastajúcou vzdialenosťou elektród. Pri technicky čistých izolačných kvapalinách sa elektrická pevnosť znižuje so vzrastajúcou vzdialenosťou, prierazné napätie vzrastá pomalšie ako priamo úmerne so vzdialenosťou, ako vidieť pre prípad homogénneho elektrického poľa z obr. 5.30 a pre prípad nehomogénneho elektrického poľa z obr. 5.31.

Závislosť elektrickej pevnosti transformátorového oleja od vzdialenosti medzi elektródami pri rôznom stupni čistoty je znázornená na obr. 5.32. Tvar elektród zabezpečoval prakticky homogénne elektrické pole medzi elektródami. Krivka 1 zodpovedá hodnotám, ktoré sa získali na pomerne vlhkom oleji. Po odstredení a dvojhodinovom varení pri 115°C a po prefiltrovaní cez sito s 900 až 1500 okami/cm2, bola na tomto oleji pri teplote 20°C nameraná elektrická pevnosť, ktorej zodpovedá krivka 2. Hodnota krivky 3 bola získaná na tom istom oleji, ale pri teplote 60°C. Táto krivka, na rozdiel od predchádzajúcich meraní, už nemá vyjadrené minimum hodnoty elektrickej pevnosti. Po ďalšej úprave oleja, ktorá tkvela vo filtrácii oleja cez papierové filtre a po ďalšom štvorhodinovom varení pri 115°C a tridsaťšesťhodinovom temperovaní pri 60°C, pri teplote 20 °C bola nameraná hodnota krivky 4. Krivky 1 a 2 majú pri vzdialenosti dvoch až troch milimetrov vyjadrené minimum, pretože pri malých vzdialenostiach sa nečistoty viac uplatnia a vytváranie mostíkov je pravdepodobnejšie. Vzdialenosti elektród 2 až 3 mm sú pre vyhodnotenie oleja na základe merania elektrickej pevnosti najvýhodnejšie, pretože sa pri týchto vzdialenostiach nečistoty v oleji prejavia naj-výraznejšie. Československé normy predpisujú pre meranie elektrickej pevnosti oleja vzdialenosť medzi elektródami 3 mm, ruské, americké, nemecké a anglické 2,5 mm, švajčiarske 5 mm.

Elektrická pevnosť technicky čistých izolačných tekutín klesá so vzrastom doby pôsobenia napätia.Pri rázovom napätí je elektrická pevnosť technicky čistých izolačných kvapalín podstatne vyššia,

ako pri striedavom napätí, a to tak v prípade homogénneho (obr. 5.30), ako aj v prípade nehomogénneho poľa (obr. 5.31). Elektrická pevnosť je tým väčšia, čím je doba pôsobenia napätia menšia, čím strmšou a kratšou napäťovou vlnou je izolačná tekutina namáhaná. Číselné údaje pripísané k jednotlivým krivkám udávajú dobu čela (čitateľ zlomku) a dobu poklesu napätia na 50% maximálnej hodnoty (menovateľ zlomku) v mikrosekundách pre napäťové vlny. Pri rázovom napätí sa vzhľadom na krátky čas jeho pôsobenia mostíky medzi elektródami nemôžu vytvoriť, a preto voda a drobné vlákna nachádzajúce sa v oleji prakticky nevplývajú na jeho elektrickú pevnosť. Pri rázovom napätí čistota oleja má malý vplyv na elektrickú pevnosť. Rázová elektrická pevnosť technicky čistých kvapalných izolantov sa blíži rázovej elektrickej pevnosti extrémne čistých kvapalných izolantov. Rázová elektrická pevnosť závisí od tvaru a vzdialenosti elektród.

5.6.3.5. Teoretické predstavy o fyzikálnej podstate prierazu kvapalných izolantov

Dosial neexistuje uspokojivá teória, ktorá by dávala výsledky dostatočne zhodné s experimentálnymi údajmi, a ktorá by vysvetľovala fyzikálnu podstatu prierazu a elektrickú pevnosť kvapalných izolantov pre všetky možné technicky dôležité prípady alebo aspoň pre väčšinu prípadov. Naproti tomu existuje veľa teórií, ktoré kvalitatívne a niektoré aj čiastočne kvantitatívne vysvetľujú experimentálne výsledky v pomerne

obmedzenom rozsahu. Podľa týchto teórií možno rozlíšiť tri základné prípady, pri ktorých prieraz prebieha vždy iným spôsobom.

Prvým prípadom sú technicky čisté kvapalné izolanty, ktoré vždy obsahujú v malom množstve vodu, druhým prípadom sú kvapalné izolanty dokonale očistené, ale nie odplynené a tretím sú kvapalné izolanty extrémne čisté a dokonale odplynené.

Ak izolačná kvapalina obsahuje vodu vo forme koloidných častíc, vtedy pre fyzikálnu podstatu dejov prebiehajúcich pri prieraze a pre elektrickú pevnosť sú rozhodujúce koloidné častice vody. Teórie prierazu spracúvajú matematicky priťahovanie vodných kvapiek účinkom elektrického poľa a ich spájanie do súvislého mostíka medzi elektródami. Tieto predstavy a teórie možno rozšíriť aj na prípady vznikania mostíkov z koloidných častíc pevných izolantov, najmä zo zvlhnutých úlomkov vlákien papiera a bavlny a dokonca aj na prípad suspenzie kovových čiastočiek v kvapalných izolantoch. Tieto teórie, aj keď výpočet elektrickej pevnosti podľa nich dáva len niekedy výsledky dostatočne zhodné s experimentálnymi hodnotami, predsa správne odrážajú hlavné deje prebiehajúce pri prieraze zvlhnutých kvapalných izolantov.

Vznikanie mostíkov alebo kanálov pred prierazom v kvapalných izolantoch nedostatočne očistených možno vizuálne pozorovať pre prípad prierazu suspenzie kovu v priezračných kvapalných izolantoch. Na suspenziu kovu v kvapalnom izolante môžeme pozerať ako na zjednodušený model technicky čistého kvapalného izolantu. Takto aj priame pozorovanie potvrdzuje základné predstavy o prieraze takýchto kvapalných izolantov.

Experimentálne výsledky ukazujú, že prieraz očistenej, ale nie odplynenej izolačnej kvapaliny je spôsobený predovšetkým existenciou plynových bubliniek v izolačnej kvapaline, Plynové bublinky sú v kvapaline prítomné vždy, okrem zvláštnych prípadov, keď kvapaliny a elektródy pred prierazom boli špeciálnym spôsobom starostlivo zbavené všetkých plynov. Takýto prieraz sa v technickej praxi vyskytuje vždy v technicky dokonale očistených izolačných kvapalinách. Silové účinky elektrického poľa na ionizovaný plyn spôsobujú vznik mostíka, kanálu medzi elektródami, vyplneného ionizovaným plynom, v ktorom vzniká elektrický výboj.

V dokonale odplynených a očistených izolačných kvapalinách prieraz spôsobujú iónové deje vedúce k Ionizácii, podobné ako pri prieraze plynových izolantov a pri čiste elektrickom prieraze tuhých izolantov. Pre prieraz má pravdepodobne veľký význam prúd spôsobený studenou emisiou elektrónov z katódy a lavínovito narastajúci v kvapalnom izolante následkom nárazovej ionizácie. Teória takéhoto prierazu nie je dosiaľ do podrobností prepracovaná.

5.6.4. Elektrická pevnosť tuhých izolantovPri zvyšovaní intenzity elektrického poľa v tuhom izolante vznikajú procesy, ktoré vedú k vzrastu

prúdu. Závislosť prúdovej hustoty od intenzity elektrického poľa je lineárna, pokiaľ intenzita elektrického poľa nie je veľká. Znamená to, že platí Ohmov zákon. V mnohých prípadoch však závislosť prúdu od napätia je ovplyvnená vedľajšími procesmi, ako je závislosť prúdu od času, vysokonapäťová polarizácia,

formovanie dielektrika - vznik tenkých vrstiev s vysokým merným odporom pri elektródach, chemických zmien účinkom prúdu, narastanie veľmi tenkých kovových hrotov - dendritov ako výsledok elektrochemických procesov atd. Vo všetkých týchto prípadoch treba vplyv vedľajších procesov vylúčiť z nameraných experimentálnych výsledkov, alebo experimentálne práce usporiadať takým spôsobom, aby vedľajšie procesy boli potlačené a neovplyvňovali merané hodnoty. Len po takomto vylúčení vedľajších vplyvov sa ukáže, že Ohmov zákon pre izolačné materiály platí.

Ak je intenzita elektrického poľa veľká, vtedy na rozdiel od predchádzajúceho prípadu sa vyskytujú odchýlky od Ohmovho zákona. Prúdová hustota rastie rýchlejšie ako priamo úmerne intenzite elektrického poľa, a to exponenciálne alebo o niečo menej ako exponenciálne, Nakoniec pri dosiahnutí určitej hodnoty intenzity elektrického poľa dochádza k prierazu izolantu, Materiál stráca charakter izolantu a stáva sa vodivým. Pritom v tuhom izolante na rozdiel od plynného alebo kvapalného izolantu, prieraz vždy spôsobuje podstatnú trvalú zmenu vlastností. Prúd pri prieraze sa mení náhle, prakticky okamžite, takže sledovať ho experimentálne je takmer nemožné.

Elektrická pevnosť je závislá vo všeobecnosti od mnohých faktorov, ako sú teplota okolia, druh napätia, doba trvania napätia atď. Výkon zdroja napätia nemá vplyv na hodnotu elektrickej pevnosti, ale má veľký vplyv na vývoj procesov vznikajúcich po dosiahnutí elektrickej pevnosti izolantu, po dosiahnutí prierazovej hodnoty intenzity elektrického poľa v materiáli.

Procesy prebiehajúce pri prieraze delíme do dvoch štádií, dvoch etáp prierazu, podľa toho, či sú vratné alebo nevratné, Vzrastanie vodivosti izolantu v závislosti od intenzity elektrického poľa a náhly vzrast vodivosti v momente prierazu patrí do prvej rozhodujúcej etapy prierazu, pričom izolant stráca vlastnosti izolantu. Tepelné a mechanické deje, ktoré vedú k porušeniu, zničeniu izolantu, prepáleniu vodivej cesty alebo prasknutiu izolantu v dôsledku vnútorných napätí a pretože nimi preteká veľký

Obr. 5.33:Závislosť množstva tepla vznikajúceho vo vzorke izolantu pri rôznych napätiach (krivky 1, 2, 3) a množstva tepla odvádzaného do okolia (priamka) od teploty

p

3

2

1

0 1 2 3 1´

prúd, patria do druhej etapy prierazu. Sú to deje po vlastnom prieraze izolantu, vtedy, keď izolant, a to aspoň v tej svojej časti, cez ktorú prechádza prieraz, stratil vlastnosti izolantu. Celý proces prierazu trvá krátky čas asi 10-7 až 10-8 s, vrátane dejov druhej etapy. Vlastný prieraz v prvej etape trvá teda v každom prípade kratšie ako 10-8 s.

Súhrn experimentálnych údajov o prieraze a elektrickej pevnosti izolantov umožňuje rozlišovať podľa fyzikálnej podstaty dejov pri prieraze dve hlavné základné formy prierazu: tepelnú formu prierazu (tepelný prieraz) a čiste elektrickú formu prierazu (čiste elektrický prieraz). Vznik jednej alebo druhej formy prierazu je podmienený jednak vlastnosťami izolantu a jednak podmienkami, pri ktorých sa prieraz uskutočňuje,

Okrem týchto dvoch základných foriem prierazu rozlišujeme v technickej praxi ešte ďalšie formy prierazu, a to chemickú (elektrochemickú) formu prierazu a prieraz spôsobený výbojmi v dutinách dielektrika (ionizácia).

K chemickej (elektrochemickej) forme prierazu patria tie prípady, keď pri pretekaní prúdu cez izolant vplyvom vysokého napätia pre nejakú príčinu nastávajú také zmeny v chemickom zložení izolantu, ktoré spôsobujú vzrast elektrickej vodivosti a v konečnom dôsledku prieraz. Chemické zmeny môžu byť rôzne. V tuhých izolantoch s iónovou vodivosťou pri jednosmernom napätí prebiehajú, ako je známe, elektrochemické deje - elektrolýza. Niekedy prebieha tzv. formovanie, ktoré mení pole v izolante, môžu narastať dendrity - kovové nite, v priestoroch pri elektródach sú možné chemické reakcie so vznikom nových látok. Všetky tieto procesy zvyčajne znižujú elektrickú pevnosť izolantov a pri dostatočne dlhom pôsobení vedú k zvýšeniu vodivosti a zníženiu elektrickej pevnosti hlavne vo forme tepelného prierazu.

Ak izolant obsahuje plynové alebo vzduchové dutiny, vznikajú v nich v silnom elektrickom poli s vysokou intenzitou výboje. Výboje môžu za určitých okolností vznikať aj na povrchu izolantu. Výboje zvyšujú hodnotu dielektrických strát, čo môže viesť k tepelno-elektrickej nerovnováhe v izolante a k tepelnému prierazu. Výboje spôsobujú ďalej vznik ozónu a kysličníkov dusíka, ktoré chemicky pôsobia na izolant. To môže mať za následok postupné zhoršovanie elektrických vlastností - starnutie izolantu a napokon môže dôjsť k prierazu. Pri výbojoch vzniká bombardovanie stien dutín iónmi a elektrónmi, čo vyvoláva jednak chemické zmeny, jednak eróziu - mechanické porušovanie izolantu. Všetky tieto deje znižujú elektrickú pevnosť izolantu a vedú po dostatočne dlhom čase najčastejšie k tepelnému, ale niekedy aj k čiste elektrickému prierazu.

Ako vidieť, chemický (elektrochemický) prieraz a prieraz spôsobený výbojmi v dutinách izolantu je súhrn dejov, ktoré znižujú elektrickú pevnosť izolantu. Treba zdôrazniť, že posledným štádiom chemického prierazu a prierazu spôso-beného výbojmi je tepelný alebo čiste elektrický prieraz. Preto je v podstate fyzikálne nesprávne hovoriť o osobitnej forme chemického prierazu alebo prierazu spôsobeného výbojmi. Správnejšie je rozdeliť deje charakteristické pre tieto formy prierazu do dvoch skupín, a to starnutie izolantu a jeho vlastný prieraz, ktorý vo väčšine prípadov je tepelným prierazom, niekedy aj čiste elektrickým. Pretože však starnutie spôsobí podstatné zníženie elektrickej pevnosti a tepelný alebo čiste elektrický prieraz, nastáva pri napätiach podstatne nižších ako pri tom istom materiáli a za rovnakých podmienok, ale bez predchádzajúceho starnutia vyjadrujeme tento podstatný vplyv chemických zmien alebo výbojov na elektrickú pevnosť v technickej praxi tým, že hovoríme o chemickom prieraze a o prieraze spôsobenom výbojmi.

5.6.4.1. Tepelný prieraz tuhých izolantov

Každý elektroizolačný materiál v elektrickom poli sa zohrieva, a to pri jednosmernom napätí pretekaním prúdu, pri striedavom napätí v dôsledku dielektrických strát. Vzrast teploty izolačného materiálu vedie k zvýšeniu vodivosti a činiteľa dielektrických strát, čo spôsobuje ďalší vzrast teploty. Súčasne so zvyšovaním teploty vzrastá množstvo tepla odvádzané z povrchu izolantu do okolia. Obidva tieto deje, t.j. vznik tepla v dôsledku vodivosti alebo dielektrických strát a odvádzanie tepla do okolia, môžu viesť k tepelno-elektrickej rovnováhe alebo nerovnováhe. Ak pri určitej teplote množstvo vznikajúceho tepla je rovnako veľké ako množstvo tepla odvádzané do okolia, hovoríme o tepelno-elektrickej rovnováhe. Izolácia môže za podmienok tepelno-elektrickej rovnováhy svoju funkciu plniť trvalo a k prierazu nedochádza. Ak množstvo tepla vznikajúce za jednotku času je pri všetkých teplo-tách väčšie ako množstvo tepla odvádzané do okolia, vtedy nemôže nastať tepelno-elektrická rovnováha a teplota vzrastá bez obmedzenia. Teplota narastie do takýchto hodnôt, pri ktorých nastane

poškodenie, zničenie izolantu vysokou teplotou. Organické izolanty sa pri vysokých teplotách niekoľko sto °C chemicky rozkladajú. Anorganické izolanty sa pri vysokých teplotách tavia, a to obyčajne len v tých miestach izolantu, kde je najvyšší gradient elektrického poľa alebo v miestach zhoršených elektrických vlastností. Tavenina nie je izolantom, ale elektrolytom. Často však pri teplotách oveľa nižších vznikajú teplotné rozdiely v izolante, ktoré vedú k vnútorným napätiam a k prasknutiu krehkého izolantu. Izolačný materiál sa teda pri tomto druhu prierazu zničí vysokou teplotou, ktorá vzniká následkom tepelno-elektrickej nerovnováhy v izolante. Pre prvé štádium prierazu sú podstatné tepelné deje, a preto sa prieraz nazýva tepelným (tepelno-elektrickým) prierazom, t, j. prierazom spôsobeným tepelno-elektrickou nerovnováhou. Druhé štádium prierazu sú nevratné elektrické, tepelné alebo mechanické deje, ako prepálenie vodivej zuhoľnatenej cesty v organickom izolante, pretavenie otvoru v krehkom anorganickom izolante alebo jeho roztrhnutie, spojené so vznikom elektrickej iskry alebo oblúka.

Základy teórie tepelného prierazu položil Wagner v prvých desaťročiach tohto storočia. Prvé experimentálne práce umožnili vytvoriť základný obraz o podstate dejov v izolácii, ako uvádzame ďalej.

Teplo vznikajúce za jednotku času vo vzorke izolantu možno vyjadriť takto:

Pv=U . . I . cos ϕ≈U2 .ω .C . tgδ(9)

kde: U je napätie vo [V],C - kapacita vzorky izolantu vo [F], tg- činiteľ dielektrických strát, - uhlová frekvencia [s-1], Pv - výkon striedavého prúdu tečúceho kondenzátorom, ktorý vytvára vzorka izolantu, t.j.

dielektrické straty, teplo vznikajúce za jednotku času.Teplo odvádzané za jednotku času do okolia možno vyjadriť:

P0=σ .S (ϑ−ϑ0 ) (10)kde: Q je koeficient odvodu tepla do okolia [W.m-2.°C-1],

S - plocha, ktorou sa teplo odvádza [m2], - teplota izolantu [°C], 0 - teplota okolitého prostredia [°C].

Rovnice (9) a (10) sú aplikované v obr. 5.33. Na zvislú os vynášame množstvo tepla vznikajúceho Pv a odvádzaného do okolia P0, na vodorovnú os teplotu . V rovnici (9) jedinou veličinou závislou od teploty je činiteľ dielektrických strát tg, ak zanedbávame pomerne malú závislosť kapacity od teploty. Preto aj krivky závislosti množstva vznikajúceho tepla od teploty majú taký tvar, ako závislosť tg od teploty. Pretože v mnohých izolačných materiáloch tg vzrastá exponenciálne s teplotou, je aj na obr. 5.33 znázornená závislosť Pv od teploty približne ako stúpajúca exponenciála. Parametrom kriviek je napätie. Rovnica (10) je nakreslená ako priamka vychádzajúca z bodu 0 =0 na vodorovnej osi, t.j. teplotu okolia sme vzali za základ stupnice na vodorovnej osi. Rovnica (10) sa zobrazí ako priamka vtedy, ak koeficient odvodu tepla do okolia je nezávislý od teploty, čo prísne vzaté nie je pravdou. Obr. 5.33 je však len schematický, a preto je možné urobiť niektoré zjednodušenia, avšak len také, ktoré neskresľujú predstavu o dejoch v izolácii pri vzniku prierazu.

Tepelné a elektrické procesy v izolácii, ktoré vedú k vzniku tepelno-elektrickej rovnováhy alebo tepelno-elektrickej nerovnováhy, a tým k tepelnému prierazu, možno sledovať pomocou rovníc (9) a (10) a obr. 5.33.

Ak vzorka izolačného materiálu má teplotu okolia 0 = 0 a v čase t = 0, pripojíme napätie U1, potom množstvo vznikajúceho tepla za jednotku času je dané na obr. 5.33. zvislou úsečkou medzi bodom 0 a priesečníkom zvislej osi s krivkou 1. Množstvo tepla odvádzaného do okolia je nulové, a preto teplota izolantu stúpa, a to približne podľa exponenciálnej krivky. Pri ktorejkoľvek teplote menšej ako 1, je množstvo vznikajúceho tepla (úmerné zvislej úsečke od vodorovnej osi ku krivke) väčšie, ako množstvo tepla odvedené do okolia, ktoré je úmerné zvislej úsečke medzi vodorovnou osou a šikmou priamkou na obr. 5.33. V dôsledku prevahy množstva tepla za jednotku času vznikajúceho nad množstvom tepla za jednotku času odvedeného do okolia teplota neustále vzrastá. Čím vyššia je teplota, tým menší je rozdiel, a preto tým pomalšie sa teplota blíži asymptoticky k ustálenej teplote 1, ktorú dosiahne v čase t1. Pri teplote 1 je množstvo tepla vznikajúce a odvádzané do okolia za jednotku času rovnaké, čo možno vyjadriť rovnicou:

Pv=P0

U2 .ω .C . tgδ=σ . S . [ϑ−ϑ 0] (11)

1

23

U

Obr. 5.34:Priebeh teploty pozdĺž vzorky izolantu. Krivky 1, 2 a 3 odpovedajú krivkám toho istého označenia na obr. 6.33

Upr

t

Obr. 5.35:Teoretický priebeh závislosti prierazného napätia od doby pôsobenia napätia

Upr

Obr. 5.36:Teoretický priebeh závislosti prierazného napätia od teploty

V pripojenom napätí U1 vznikla pri teplote 1 tepelno-elektrická rovnováha, izolácia môže za takýchto podmienok pracovať pri napätí U1 ľubovoľne dlho bez toho, aby nastal tepelný prieraz. Tepelno-elektrická rovnováha je stabilná, pretože pri náhodnom výkyve teploty smerom nahor, spôsobenom nejakým vonkajším účinkom, bude pri vyššej teplote množstvo vznikajúceho tepla za jednotku času v izolante menšie, ako množstvo tepla za jednotku času odvedené do okolia a teplota poklesne naspäť na hodnotu 1.

Ak napätie zvýšime na hodnotu U2, teplota sa bude ďalej zvyšovať, a to až na hodnotu 2. Analogicky ako v predchádzajúcom prípade vznikne stabilná tepelno-elektrická rovnováha pri teplote 2. Pri napätí U2 množstvo tepla vznikajúce za jednotku času je dané krivkou 2 a pri napätí U3 krivkou 3.

Po zvýšení napätia na hodnotu U3 teplota ďalej stúpa až na hodnotu 3, pri ktorej je znovu množstvo tepla vznikajúce za jednotku času rovnako veľké, ako množstvo tepla za jednotku času odvádzané do okolia. Na rozdiel od predchádzajúcich prípadov je teraz tepelno-elektrická rovnováha labilná, krivka (3) sa dotýka priamky a nepretína ju. To znamená, že ak vedľajším náhodným vplyvom vznikne výkyv teploty smerom nahor, je pri akejkoľvek vyššej teplote množstvo tepla vznikajúce za jednotku času väčšie, ako množstvo tepla odvádzané do okolia a teplota stúpa bez obmedzenia. Takýto priebeh procesov v izolácii znamená tepelno-elektrickú nerovnováhu, ktorá sa končí tepelným prierazom. Pri napätí vyššom ako U3 nemôže nastať elektrická rovnováha, izolant sa prerazí tepelno-elektrickým prierazom, a to za čas tým kratší, čím je napätie vyššie.

Pri tepelných a elektrických dejoch v izolácii sme hovorili o oteplení celej vzorky izolantu. Naproti tomu už základné experimentálne práce upozornili na to, že tepelno-elektrická nerovnováha sa rozvíja a tepelný prieraz vzniká na niektorom mieste izolantu, a to tam, kde sú alebo ochladzovacie podmienky náhodne zhoršené, alebo kde sú horšie náhodne elektrické vlastnosti izolantu. Treba si preto predstavu o dejoch v izolácii pri vzniku tepelného prierazu doplniť tým, že teplota v celej vzorke izolantu nie je rovnaká, ale od miesta k miestu rozdielna, podľa toho, ako sa od miesta k miestu menia ochladzovacie podmienky a elektrické vlastnosti. Čím vyššia je teplota, tým výraznejšie sa koncentruje proces vznikania tepelno-elektrickej nerovnováhy do jedného miesta, v ktorom nakoniec vzniká prieraz. Základné rovnice pre vznik a odvod tepla (9) a (10) možno napísať buď pre celú vzorku izolantu, buď pre úzky kanál, v ktorom vzniká prieraz. V jednom aj druhom prípade sa deje v izolácii odohrávajú podľa kriviek na obr. 5.33. Takýto prípad je zjednodušenie skutočného deja, pri ktorom jednak vzrastá teplota vzorky izolantu ako celku, jednak najmä pri vyšších teplotách sa vzrast teploty čoraz viac koncentruje do miesta

prierazu. Schematicky je priebeh teploty pozdĺž vzorky izolantu nakreslený na obr. 5.34. Krivky 1, 2 a 3 zodpovedajú krivkám toho istého označenia na obr. 5.33.

Priamo zo základnej predstavy tepelného prierazu a zo základných vzťahov (9) a (10) vyplýva závislosť elektrickej pevnosti od doby pôsobenia napätia a závislosť od teploty.

Napätie U3 a jemu odpovedajúca krivka 3 dotýkajúca sa priamky na obr. 5.33 predstavuje taký prípad, keď pri najnižšom napätí môže nastať prieraz. Teoreticky prieraz nastane za čas nekonečne dlhý, pretože v bode dotyku krivky a priamky je labilná tepelno-elektrická rovnováha, pri ktorej môže izolácia pracovať, pokiaľ sa nevyskytne malý výkyv teploty smerom nahor. Pri napätí vyššom ako U3

nastane prieraz, a to za čas tým kratší, čím je napätie vyššie. Teoretický priebeh závislosti

Obr. 5.37:Závislosť prierazného napätia od doby pôsobenia napätia pri rôznych teplotách

2

Upr

t

A

1

3

1 <2 < 3

B

Hrana [100]

Stranová uhlopriečka [110]

Priestorová uhlopriečka [111]

+

+

+

+

-

-

-

-

Obr. 5.39:Kryštálová bunka chloridu sodného NaCl

AUpr

B

t1t2

t3

t1 < t2 < t3

Obr. 5.38:Závislosť prierazného napätia od teploty pri rôznych dobách pôsobenia napätia

prierazného napätia od doby pôsobenia napätia je na obr. 5.35. Krivka sa asymptoticky blíži k hodnote napätia, ktorá zodpovedá napätiu U3 na obr. 5.33.

Zmena teploty okolia sa prejaví ako zmena ochladzovacích podmienok. Čím vyššia je teplota okolia, tým menej tepla sa odvedie z izolantu do okolia. V diagrame na obr. 5.33 sa zvýšenie teploty prejaví ako posun priamky smerom doprava. Znamená to toľko, že ak pri určitej teplote napätie U3 bolo kritickým najnižším napätím, pri ktorom mohol nastať prieraz, po zvýšení teploty okolia je možný prieraz aj pri nižšom napätí. Teoretická závislosť prierazného napätia od

teploty v oblasti tepelného prierazu je na obr. 5.36 a má principiálne rovnaký priebeh ako závislosť elektrickej pevnosti od doby pôsobenia napätia.

Závislosti prierazného napätia od doby pôsobenia napätia a od teploty, sú súčasne závislosťami elektrickej pevnosti, ak sa na zvislú stupnicu vynesú vo vhodnej mierke hodnoty elektrickej pevnosti.

Obe nakreslené závislosti navzájom úzko súvisia. V závislosti elektrickej pevnosti od doby pôsobenia napätia je parametrom teplota, v závislosti elektrickej pevnosti od teploty je parametrom doba pôsobenia napätia. Čím vyššia je teplota, tým viac sa posúva celá závislosť elektrickej pevnosti od doby pôsobenia napätia vľavo, do oblasti kratších časov. Podobne v diagrame závislosti elektrickej pevnosti od teploty, čím je dlhšia doba pôsobenia napätia, tým pri nižších teplotách nastáva prieraz. Tieto vplyvy sú schematicky znázornené na obr. 5.37. Smerom ku krátkym časom doby

pôsobenia napätia a tak isto smerom k nízkym teplotám elektrická pevnosť nestúpa do nekonečna, ale je

obmedzená určitou hodnotou, pri ktorej nastáva prieraz bez ohľadu na dobu pôsobenia napätia a bez ohľadu na tepelno-elektrickú rovno-váhu v izolante. Táto skutočnosť je v

diagramoch na obr. 5.37 a 5.38 vyznačená vodorovnou úsečkou. Je zrejmé, že v týchto

prípadoch nedochádza k prierazu v dôsledku tepelno-elektrickej

nerovnováhy v izolante, ale v dôsledku iných dejov. Prieraz už nie je

prierazom tepelným, ale prierazom čiste elektrickým.

5.6.4.2. Čisto elektrický prieraz tuhých izolantov

Obr. 5.40:Priebeh potenciálov pozdĺž hlavných smerov kryštálovej bunky NaCl

2

a

2

3a.

[100]

[110]

[111]

+

+ + + +

++ + + + +

+ +

-

- - - -

-

2

a

Ak prieraz v izolante nevzniká následkom tepelno-elektrickej nerovnováhy, potom nastáva prieraz čisto elektrický. Závisí jedine od fyzikálneho stavu izolantov, od ich chemického zloženia a štruktúry. Nadväzuje takto na stavbu hmoty, a preto má prvoradú teoretickú dôležitosť, ale aj z praktického hľadiska je veľmi dôležitý.

Elektrická pevnosť v oblasti čiste elektrického prierazu nezávisí od hrúbky izolantu, od elektród a od tvaru napäťovej krivky. Aby sme však získali hodnoty elektrickej pevnosti takéhoto druhu, ktoré súvisia len s vlastnosťami meraného materiálu a nezávisia od podmienok experimentu, treba použiť veľmi vyspelú a precíznu meraciu metódu, najmä treba vylúčiť vplyv nehomogenity izolantu, tvaru a materiálu elektród, okolitého prostredia, nečistôt a medzier v izolante, ako aj výbojov medzi elektródami a izolantom. V technickej praxi a často aj v laboratóriu pri nedokonalej skúšobnej metóde sú procesy vedúce k čiste elektrickému prierazu doprevádzané celým radom sprievodných dejov, ktoré priebeh prierazu komplikujú a namerané hodnoty prierazných napätí znižujú.

Čiste elektrický prieraz prebehne za čas rádove 10-8 s. To nasvedčuje tomu, že ide s najväčšou pravdepodobnosťou o proces elektronickej povahy. Všetky novšie teórie čiste elektrického prierazu budujú na tejto predstave. Staršie teórie vychádzajúce z iných predstáv majú v súčasnosti už len historickú hodnotu.

Súčasné teórie vychádzajú z predpokladu, že čiste elektrický prieraz je dejom, na ktorom sa zúčastňujú elektróny. Je známe, že z hľadiska pásmovej teórie tuhých látok izolant sa líši od polovodiča širším zakázaným pásmom. Preto aj izolant obsahuje podstatne menej voľných elektrónov ako polovodič, a to tak málo, že vo väčšine izolantov ich podiel na elektrickej vodivosti je zanedbateľne malý a pre elektrickú vodivosť je rozhodujúca koncentrácia voľných iónov a ich pohyblivosť. Podobne ako v nevlastných polovodičoch, aj pri technicky čistých izolantoch sú v zakázanom pásme poruchové hladiny obsahujúce slabšie viazané elektróny. Hoci voľných elektrónov je nepatrný počet a ich existencia je z hľadiska elektrickej vodivosti zanedbateľná, predsa majú rozhodujúci význam pri dejoch, ktoré vedú k čiste elektrickému prierazu. Je známe, že elektrická vodivosť vo veľmi silných elektrických poliach rádove 10 až 100 kV/mm vzrastá so vzrastom intenzity elektrického poľa a tento vzrast je spôsobovaný zväčšovaním počtu voľných elektrónov vplyvom elektrického poľa, ktoré dodáva energiu potrebnú na preskok z valenčného pásma alebo z poruchových hladín v zakázanom pásme do vodivostného pásma. V izolantoch platí pre elektróny, ktoré sa ocitnú vo vodivostnom pásme, to isté ako v kovoch. Pretože v izolantoch sa kryštálová mriežka neskladá z atómov rovnakého prvku ako v kovoch, sú priestorové zmeny potenciálu väčšie ako v kovoch a sú oveľa zložitejšie. Aj v jednoduchom kryštále, ako je kryštál chloridu sodného, existuje jednoduchá periodicita v rozložení potenciálu len pozdĺž hrán jeho elementárnej kryštálovej bunky a v smeroch plošných a priestorových uhlopriečok, ale priebeh má v týchto smeroch rôznu strmosť. Elementárna bunka kryštálu chloridu sodného je znázornená na obr. 5.39 a priebeh potenciálov pozdĺž uvedených smerov (100, 110, 111) na obr. 5.40. Pohyblivosť elektrónov je v rôznych smeroch rôzna, a preto sa elektrón v elektrickom poli pohybuje v určitých smeroch významných vzhľadom na kryštálovú štruktúru. V kryštále chloridu sodného je prednostným smerom pohybu smer plošnej uhlopriečky, pretože tu sú najmiernejšie výkyvy potenciálu, na druhom mieste je smer priestorovej uhlopriečky. Pohyblivosť je totiž väčšia v smere, ktorý prechádza tými bodmi kryš-tálovej mriežky, ktoré sú obsadené iónmi rovnakého znaku. Ďalej je pohyb uľahčený v tom smere, v ktorom vzdialenosť dvoch vrcholov krivky potenciálu je veľká. Elektrón načerpá z elektrického poľa tým viac energie, čím je táto vzdialenosť (voľná drá-ha) väčšia. Elektróny pri svojom pohybe spôsobujú svojím poľom elektrónovú i iónovú polarizáciu okolitých iónov, t.j. kladné ióny priťahujú a záporné odpudzujú. Vyvolávajú tým kmitanie iónovej mriežky, čo je spojené so stratou energie pohybu-júceho sa elektrónu. Strata energie, t.j. energia odovzdávaná pri pohybe elektrónu kmitajúcej mriežky, je v izolante oveľa významnejšia ako v kovoch. Elektrón v izolante môže ľahko stratiť všetku svoju energiu a zachytiť sa.

V slabom elektrickom poli sú elektróny v izolante takmer v tepelnej rovnováhe s ostatnými časticami materiálu. Pohybujú sa proti smeru poľa (pretože sú zápornými nábojmi) konštantnou rýchlosťou, pričom získavajú len nepatrnú energiu z elektrického poľa, ktorú pri pohybe odovzdávajú kryštálovej mriežke, kde sa prejaví nepatrným zvýšením intenzity

kmitavého pohybu častíc mriežky, t.j. nepatrným zvýšením teploty. Ak je pole silnejšie, elektróny na svojich voľných dráhach z elektrického poľa získavajú viac energie a môžu uvoľňovať elektróny z obsadeného pásma. Aj tieto uvoľnené elektróny v ďalšom procese získavajú z elektrického poľa dostatočnú energiu na ďalšie uvoľňovanie elektrónov. Ak elektróny získavajú viac energie z elektrického poľa, ako strácajú pri pohybe v kryštálovej mriežke, uvoľňujú ďalšie elektróny a celý dej sa môže skončiť za určitých okolností prierazom.

Poznatky o energii získanej elektrónom z elektrického poľa a odovzdávanej pri pohybe kryštálovej mriežke, ako aj o uvoľňovaní elektrónov sú základom Hippelovej teórie čiste elektrického prierazu. Frölichova teória je založená na štúdiu okolností, za ktorých skupina rýchlych elektrónov, ktoré majú danú strednú hodnotu energie, vykazuje pri svojom priemernom pohybe energetický zisk alebo stratu. Prieraz nastane vtedy, ak sa stredná hodnota energie počas mnohých zrážok zväčšuje a ak je k dispozícii primerané množstvo elektrónov s potrebnou energiou.

Z pokusov vyplýva, že čiste elektrická pevnosť v závislosti od teploty má charakteristický priebeh. Pri nízkych teplotách čiste elektrická pevnosť vzrastá so vzrastom teploty, vzrast býva malý, niekedy až nulový, a vtedy elektrická pevnosť nezávisí od teploty, alebo dokonca nepatrne klesá so vzrastom teploty. Pri vysokých teplotách elektrická pevnosť klesá so vzrastajúcou teplotou podľa exponenciály. Maximum elektrickej pevnosti je vyjadrené len v niektorých látkach. Vo väčšine prakticky významných izolantov je teplota maxima elektrickej pevnosti alebo v blízkosti teploty tavenia pre usporiadanejšie štruktúry, alebo veľmi nízko pre amorfné látky.

Frölichova teória vysvetľuje túto dvojakú závislosť čiste elektrickej pevnosti od teploty tým, že v kryštáloch, ale aj v amorfných látkach je pri nízkej teplote štruktúra oveľa pravidelnejšia, vyskytuje sa málo porúch, a tým aj málo elektrónov v poruchových hladinách. Naproti tomu pri vysokých teplotách je porúch mnoho, a tým je aj mnoho elektrónov v poruchových hladinách. Preto elektróny vo vodivostnom pásme sú prevažne elektróny pochádzajúce z poruchových hladín nachádzajúcich sa v blízkosti spodnej hranice vodivostného pásma. Čiste elektrická pevnosť klesá v tejto oblasti teplôt so vzrastajúcou teplotou preto, lebo počet elektrónov vo vodivostnom pásme sa zvyšuje s teplotou. Tým vzrastá aj celková energia, ktorú získavajú elektróny z elektrického poľa. Čím viac elektrónov je vo vodivostnom pásme, tým skôr sa pri nižšom napätí splní podmienka čiste elektrického prierazu, t.j. prevaha energie získanej elektrónmi nad energiou elektrónmi odovzdávanou kryštálovej mriežke. Pri nízkych teplotách je elektrónov v poruchových hladinách málo, ich počet nemá preto vplyv na energetickú bilanciu elektrónov vo vodivostnom pásme. Preto aj vplyv teploty na čiste elektrickú pevnosť izolantov pri nízkych teplotách je nepatrný.