Dielektrický plyn - Dielectric gas

Dielektrické plynu , nebo izolačním plynem , je dielektrický materiál v plynném stavu. Jeho hlavním účelem je zabránit nebo rychle uhasit elektrické výboje . Dielektrické plyny se používají jako elektrické izolátory ve vysokonapěťových aplikacích, např. Transformátory , jističe (jmenovitě jističe s hexafluoridem sírovým ), rozváděče (jmenovitě rozvaděče vysokého napětí ), radarové vlnovody atd.

Dobrý dielektrický plyn by měl mít vysokou dielektrickou pevnost , vysokou tepelnou stabilitu a chemickou inertnost vůči použitým stavebním materiálům, nehořlavost a nízkou toxicitu , nízkou teplotu varu , dobré vlastnosti přenosu tepla a nízké náklady.

Nejběžnějším dielektrickým plynem je vzduch , kvůli jeho všudypřítomnosti a nízké ceně. Dalším běžně používaným plynem je suchý dusík .

Ve zvláštních případech jsou zapotřebí spínače vysokého napětí, plyny s dobrými dielektrickými vlastnostmi a velmi vysokým průrazným napětím . Vysoce elektronegativní prvky, např. Halogeny , jsou upřednostňovány, protože se rychle rekombinují s ionty přítomnými ve výbojovém kanálu. Halogenové plyny jsou vysoce korozivní . Jiné sloučeniny, které disociují pouze ve výbojové cestě, jsou proto výhodné; nejčastější jsou hexafluorid síry , organofluoridy (zejména perfluorované uhlovodíky ) a chlorfluoruhlovodíky .

Průrazné napětí plynů je zhruba úměrné jejich hustotě . Poruchová napětí se také zvyšují s tlakem plynu. Mnoho plynů má kvůli svému zkapalnění omezený horní tlak .

Rozkladné produkty halogenovaných sloučenin jsou vysoce korozívní, a proto je výskyt korónového výboje by se mělo zabránit.

Nahromadění vlhkosti může zhoršit dielektrické vlastnosti plynu. K včasné detekci se používá analýza vlhkosti .

Dielektrické plyny mohou také sloužit jako chladiva .

Vakuum je v některých aplikacích alternativou pro plyn.

Ve vhodných případech lze použít směsi plynů. Přidání fluoridu sírového může dramaticky zlepšit dielektrické vlastnosti horších izolátorů, např. Helia nebo dusíku. Vícesložkové plynové směsi mohou nabídnout vynikající dielektrické vlastnosti; optimální směsi kombinují elektrony vázající plyny ( hexafluorid síry , oktafluorcyklobutan ) s molekulami schopnými termalizovat (zpomalit) zrychlené elektrony (např. tetrafluormethan , fluoroform ). Izolační vlastnosti plynu jsou řízeny kombinací připojení elektronů, rozptylu elektronů a ionizace elektronů .

Atmosférický tlak významně ovlivňuje izolační vlastnosti vzduchu. Vysokonapěťové aplikace, např. Xenonové výbojky, mohou ve vysokých nadmořských výškách zaznamenat elektrické poruchy.

Relativní napětí při rozpadu jiskry izolačních plynů při 1 atm
Plyn Vzorec Průrazné napětí vzhledem ke vzduchu Molekulová hmotnost (g / mol) Hustota * (g / l) ODP GWP Přichycení elektronů Vlastnosti
Hexafluorid síry SF
6
3.0 146,06 6,164 22800 Nejoblíbenější izolační plyn. Je hustý a bohatý na fluor , což je dobrý tlumič výbojů. Dobré chladicí vlastnosti. Vynikající zhášení obloukem. Žíravé produkty rozkladu. Ačkoli většina produktů rozkladu má tendenci rychle přetvářet SF
6
, elektrický oblouk nebo koróna mohou produkovat disulfur dekafluorid ( S.
2
F
10
), vysoce toxický plyn s toxicitou podobnou fosgenu . Hexafluorid síry v elektrickém oblouku může také reagovat s jinými materiály a vytvářet toxické sloučeniny, např. Fluorid berylnatý z keramiky na bázi oxidu berylnatého . Často se používá ve směsích např. S ​​dusíkem nebo vzduchem.
Dusík N
2
1.15 28 1,251 - - ne Často se používá při vysokém tlaku. Neusnadňuje spalování. Může být použit s 10–20% SF 6 jako levnější alternativa k SF 6 . Lze použít samostatně nebo v kombinaci s CO 2 . Neelektronové připojení, účinné při zpomalení elektronů.
Vzduch 29 / směs 1 1.2 - - Průrazné napětí 30 kV / cm při 1 atm. Velmi dobře prozkoumáno. Při vystavení elektrickému výboji vytváří žíravé oxidy dusíku a další sloučeniny, zejména v přítomnosti vody. Žíravé produkty rozkladu. Může usnadnit spalování, zejména při stlačení.
Amoniak NH
3
1 17,031 0,86
Oxid uhličitý CO
2
0,95 44.01 1,977 - 1 slabý
Kysličník uhelnatý CO 1.2 slabý Účinné při zpomalení elektronů. Toxický.
Sirovodík H
2
S
0,9 34,082 1,363
Kyslík Ó
2
0,85 32.0 1,429 - - Velmi efektivně usnadňuje spalování. Nebezpečný zejména při vysoké koncentraci nebo při stlačení.
Chlór Cl
2
0,85 70,9 3.2
Vodík H
2
0,65 2.016 0,09 prakticky ne Nízké průrazné napětí, ale vysoká tepelná kapacita a velmi nízká viskozita. Používá se k chlazení např . Vodíkem chlazených turbogenerátorů . Manipulace a bezpečnostní problémy. Velmi rychlý deexcitace, může být použita ve vysoce rychlost opakování jiskřiště a rychlé tyratrony .
Oxid siřičitý TAK
2
0,30 64,07 2,551
Oxid dusičitý N
2
Ó
~ 1.3 slabý Slabé připojení elektronů. Efektivní při zpomalení elektronů.
1,2-Dichlorotetrafluoroethan ( R-114 ) CF
2
ClCF
2
Cl
3.2 170,92 1,455 ? silný Nasycený tlak při 23 ° C je asi 2 atm, čímž se získá průrazné napětí 5,6krát vyšší než dusík při 1 atm. Žíravé produkty rozkladu.
Dichlorodifluormethan (R-12) CF
2
Cl
2
2.9 120,91 6 1 8100 silný Tlak páry 90 psi (6,1 atm) při 23 ° C, čímž se získá průrazné napětí 17krát vyšší než vzduch při 1 atm. Vyššího průrazného napětí lze dosáhnout zvýšením tlaku přidáním dusíku. Žíravé produkty rozkladu.
Trifluormethan CF
3
H
0,8 slabý
1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (R-236fa) CF
3
CH
2
CF
3
152.05 6300 silný Žíravé produkty rozkladu.
Tetrafluorid uhličitý (R-14) CF
4
1.01 88,0 3.72 - 6500 Špatný izolátor, pokud se používá samostatně. Ve směsi s SF 6 poněkud snižuje dielektrické vlastnosti hexafluoridu síry, ale výrazně snižuje bod varu směsi a zabraňuje kondenzaci při extrémně nízkých teplotách. Snižuje náklady, toxicitu a žíravost čistého SF 6 .
Hexafluoroethan (R-116) C
2
F
6
2.02 138 5.734 - 9200 silný
1,1,1,2-tetrafluorethan (R-134a) C
2
H
2
F
4
silný Možná alternativa k SF 6 . Jeho vlastnosti pro zhášení oblouku jsou špatné, ale jeho dielektrické vlastnosti jsou docela dobré.
Perfluoropropan (R-218) C
3
F
8
2.2 188 8.17 - ? silný
Oktafluorocyklobutan (R-C318) C
4
F
8
3.6 200 7.33 - ? silný Možná alternativa k SF 6 .
Perfluorobutan (R-3-1-10) C
4
F
10
2.6 238 11.21 - ? silný
30% SF
6
/ 70% vzduchu
2.0
Hélium On Ne Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů.
Neon Ne 0,02 Ne Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů.
Argon Ar 0.2 Ne Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů.
vakuum V kondenzátorech a spínačích se používá vysoké vakuum. Problémy s údržbou vakua. Vyšší napětí může vést k produkci rentgenového záření .

* Hustota je přibližná; obvykle se uvádí při atmosférickém tlaku, teplota se může lišit, i když je to většinou 0 ° C.

Reference