1 

Wytrzymałość dielektryczna dielektryków ciekłych 

 

Wiadomości podstawowe 

 

 

W urządzeniach elektrycznych jako dielektryki stosuje się ciecze izolacyjne. 

Najpospolitszą grupę takich cieczy stanowią oleje mineralne, stosowane najczęściej w 

transformatorach i kablach. Są to produkty destylacji ropy naftowej zawierające mieszaninę 

węglowodorów nasyconych lub aromatycznych. Posiadają one wysoką wytrzymałość 

dielektryczną, duŜe przewodnictwo cieplne, zdolność chłodzenia lub gaszenia łuku. Są to 

płyny zapalne, zwłaszcza po podgrzaniu. 

 

Drugą grupę stanowią oleje syntetyczne. Są to głównie oleje polichlorofenylowe, 

których głównymi zaletami są: niepalność, wysoka wytrzymałość dielektryczna, duŜa 

przenikalność elektryczna i odporność na starzenie. 

 

Osobną grupę stanowią ciecze silikonowe, które charakteryzują się duŜą odpornością 

na wysokie temperatury i mają niskie temperatury krzepnięcia. 

 

O własnościach cieczy izolacyjnych decydują nie tylko własności fizyczne ich 

podstawowych składników lecz w znacznej mierze: stopień zanieczyszczeń i zestarzenia się. 

Z tego względu zachowanie się cieczy jako dielektryka moŜe być róŜne i mechanizm jej 

przebicia moŜe wynikać z róŜnych przyczyn. W celu rozgraniczenia własności dowolnej 

cieczy mówić naleŜy o oleju chemicznie czystym, o oleju technicznie czystym, w którym 

liczba domieszek jest sprowadzona do praktycznego minimum oraz o oleju znajdującym się w 

eksploatacji, w którym liczba zanieczyszczeń moŜe być duŜa, lecz moŜe jeszcze nie zagraŜać 

prawidłowej pracy urządzeń 

 

PoniewaŜ liczba zanieczyszczeń i pogorszenie własności olejów w czynnych 

urządzeniach następuje z biegiem czasu wskutek starzenia, konieczna jest okresowa kontrola 

jakości oleju przez wykonywanie badań okresowych, których celem jest sprawdzenie 

własności fizycznych i elektrycznych. 

 

Własności fizyczne olejów mineralnych kontroluje się określając następujące 

wielkości: lepkość oleju, temperaturę krzepnięcia,  temperaturę zapłonu i liczbę kwasową. 

Własności elektryczne sprawdza się badając jego wytrzymałość na przebicie w określonym 

przez normy układzie elektrod. 

 

 

2 

 

 

 

 

JeŜeli okresowo badany olej nie ma zadowalających parametrów naleŜy doprowadzić 

go stanu zdatnego do dalszej eksploatacji bądź  wymienić go na nowy. Doprowadzenie do 

zadawalającego stanu moŜe być osiągnięte przez filtrowanie w celu usunięcia zanieczyszczeń 

stałych i wody, gotowanie lub odwirowanie w celem dalszego osuszenia. Regeneracja - polega 

takŜe na chemicznej rafinacji i oddzieleniu składników szkodliwych, produktów utlenienia 

itp., które mogą pogarszać własności izolacyjne i zwiększać stratność dielektryczną oleju. 

 

MoŜna szacować, Ŝe w temperaturze pokojowej przy napięciu przemiennym o 

częstotliwości 50 Hz , dobry olej powinien mieć współczynnik strat tg 

δ

 rzędu 10

-4

...10

-3

, 

podczas gdy olej zanieczyszczony produktami zestarzenia moŜe mieć w tych samych 

warunkach tg 

δ

 rzędu 10

-2

...10

-1

, a nawet i więcej. Pomiar współczynnika strat 

dielektrycznych jest dlatego jeszcze jednym, waŜnym wskaźnikiem jakości oleju. 

 

 

ZaleŜność tg 

δ

 oleju transformatorowego od zawartości wilgoci w.  

NatęŜenie E = 5 kV/cm, temperatura 40 

o

C. 

 

 

Mechanizm przebicia oleju jest złoŜony i zaleŜny od jakości i własności badanego 

oleju. 

Na mechanizm ten składać się moŜe szereg zjawisk, rozpatrywanych często niezaleŜnie jako 

odrębne mechanizmy tworzenia się w oleju wyładowań elektrycznych. 

 

 

3 

 

 

 

 

Mechanizm elektronowy przebicia oleju 

 

 

W oleju pozbawionych zanieczyszczeń stałych, płynnych lub gazowych przebicie 

układu izolacyjnego, podobnie jak w gazach, odbywa się na zasadzie tworzenia kanału 

plazmowego pomiędzy elektrodami. Osiągnięcie duŜych natęŜeń pola przy katodzie staje się 

przyczyną autoemisji  i jonizacji zderzeniowej prowadzącej do lawin, przy jednoczesnym 

powstawaniu ładunku przestrzennego, odkształcającego rozkład pola. Ruch elektronów 

powoduje równocześnie nagrzewanie i wrzenie otaczającej cieczy, wskutek czego kanał 

wyładowania tworzy się w postaci gazowego kanału plazmowego. Rozwój tego kanału jest 

jednak wolniejszy niŜ w gazie i odbywa się z prędkością rzędu 3

⋅

10

5

 cm/s.  

 

W oleju obserwowane być mogą wyładowania niezupełne w postaci świetleń, snopień 

i pozałamywanych kanałów. Powstające wyładowania rozkładają olej, przy czym produkty 

rozkładu zmieniają stopień czystości oleju i mogą wpływać na mechanizm wyładowania. 

Przyjmuje się, Ŝe olej, w którym powstają wyładowania, traci własności izolacyjne, wskutek 

czego waŜne jest niedopuszczanie do wyładowań. 

 

 

Mechanizm gazowy przebicia oleju 

 

 

Mechanizm ten zachodzi w oleju czystym lecz nieodgazowanym, w którym znajdujący 

się w postaci pęcherzyków gaz moŜe być wynikiem parowania składników lotnych, np. przy 

podgrzaniu, lub wynikiem zawartości powietrza. Mechanizm ten nazywany jest często 

jonizacyjnym. Pęcherzyki gazowe stają się zaląŜkami jonizacji lawinowej i silnie zjonizowany 

pęcherzyk staje się elementem kanału plazmowego. Pęcherzyk gazowy powiększa się i 

wydłuŜa w kierunku pola. 

 

Mechanizm gazowy tłumaczy obserwowaną często zaleŜność wytrzymałości 

dielektrycznej oleju od ciśnienia, które wpływa na wartość napręŜenia początkowego jonizacji 

w pęcherzykach gazowych. 

 

 

4 

 

 

 

Mechanizm mostkowy przebicia oleju 

 

 

Mechanizm mostkowy występuje w oleju zanieczyszczonym. Przyczyną 

zanieczyszczeń mogą być ciała stałe, najczęściej włókniste oraz płynne, z których 

najwaŜniejszą rolę odgrywa wilgoć. 

 

Włókna zanieczyszczeń ulegają przemieszczaniu w polu elektrycznym i zajmują 

ukierunkowane siłami pola. Przy duŜej gęstości zanieczyszczeń  i przy jednoczesnym ich 

zawilgoceniu mają one tendencję do ustawiania się wzdłuŜ linii natęŜeń pola tj. na drodze, na 

której formuje się kanał wyładowania. Włókna łącząc się w tzw. mostki, wytwarzają 

pomiędzy elektrodami drogę o obniŜonej wytrzymałości. PoniewaŜ tworzenie się mostka jest 

stosunkowo wolne, mechanizm mostkowy odgrywa rolę przy napięciach stałych i 

wolnozmiennych. Przy napięciach udarowych ten mechanizm nie występuje. 

 

Temu mechanizmowi przebicia moŜna skutecznie przeciwdziałać stawiając pomiędzy 

elektrody układu izolacyjnego w przestrzeniach wypełnionych olejem przegrody izolacyjne z 

materiału stałego o niewielkiej grubości. 

 

 

 

 

ZaleŜność natęŜenia przebicia oleju transformatorowego E

d

 w funkcji wilgotności względnej 

w 

 

 

 

 

5 

 

 

 

Wytrzymałość dielektryczna dielektryków stałych

 

 

Wiadomości podstawowe 

 

 

Przebicie dielektryka stałego, podobnie jak w przypadku dielektryka gazowego i 

ciekłego, polega na wytworzeniu się wyładowania i drogi silnie przewodzącej zwierającej 

elektrody układu izolacyjnego. Po wyłączeniu napięcia po przebiciu, dielektryk stały nie 

regeneruje się, przebicie powoduje trwałe zniszczenie układu i połączenie elektrod utworzoną, 

często zwęgloną drogą przewodzącą. Przebicie dielektryka stałego moŜe być skutkiem 

zarówno osiągnięcia określonej wartości napięcia, jak i zmiany właściwości dielektryka przy 

danym napięciu. W kaŜdym przypadku mechanizm przebicia moŜe być złoŜony i wywołany 

pojedynczo lub wspólnie przez róŜne zjawiska fizyczne o niezaleŜnych przyczynach. 

 

Dielektryk stały najczęściej współpracuje równolegle z innym dielektrykiem ciekłym 

lub gazowym, którym jest zazwyczaj powietrze. Przy jednoczesnym napręŜeniu dielektryka 

gazowego o mniejszej wytrzymałości, przy wzroście napięcia, najczęściej dochodzi do 

wyładowania w gazie, nazywanego przeskokiem na izolatorze stałym, który nie ulega 

przebiciu. 

 

Celem spowodowania przebicia, dla określenia wytrzymałości dielektrycznej, 

dokonuje się zamiany współpracującego powietrza na dielektryk bardziej wytrzymały np. 

przez zanurzenie izolatora stałego w oleju. W przypadkach, gdy to jest niemoŜliwe lub 

niecelowe określa się wytrzymałość dielektryków stałych nie na kompletnych wyrobach lecz 

na próbkach materiału stałego. 

 

Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego 

 

 

Mechanizm elektryczny nazywany jest równieŜ elektronowym lub mechanizmem 

istotnego przebicia dielektryka stałego. W mechanizmie tym podstawową rolę odgrywają 

wolne elektrony, pozostające w paśmie przewodnictwa ciała stałego, przyspieszane siłami 

pola. Wzrost natęŜenia pola i energii elektronów prowadzi do wybijania nowych elektronów z 

siatki strukturalnej dielektryka i do powstawania lawin. Związane jest z tym lokalne ogrzanie 

 

6 

dielektryka, stopienie i wytworzenie przewodzącego kanału poprzez przestrzeń odgazowaną, 

która pozostaje w postaci trwałego uszkodzenia dielektryka. 

 

 

 

Mechanizm elektryczny przebicia dielektryka stałego moŜe być obserwowany 

wówczas, gdy czas przyłoŜenia napięcia jest krótki. Zachodzi on w praktyce przy napięciach 

udarowych. 

 

W polach niejednorodnych przy jednokrotnym działaniu impulsu napięcia, mechanizm 

elektryczny prowadzić moŜe do wytworzenia kanału wyładowania jedynie na pewnej drodze 

uszkadzając trwale część dielektryka w przestrzeni międzyelektrodowej. Ponowne przyłoŜenie 

napięcia spowodować moŜe wydłuŜenie się kanału, który łączy często elektrody dopiero po 

pewnej liczbie udarów. Zjawisko to nosi nazwę kumulacji przebić częściowych i jest łatwo 

obserwowane w dielektrykach przezroczystych. 

 

 

 

Mechanizm cieplny przebicia dielektryka stałego 

 

 

Mechanizm cieplny przebicia występuje przy napięciach działających na dielektryk 

stały przez czas dłuŜszy np. kilka godzin. Stan taki zachodzi przy napięciach stałych i 

przemiennych. Ze względu na istniejące w dielektryku straty dielektryczne dielektryk 

nagrzewa się. Przy napięciach stałych straty wywołane są głównie przez przewodność 

skrośną. Przy napięciach przemiennych są one większe, gdyŜ do strat przewodnictwa 

dochodzą straty na polaryzację dielektryka proporcjonalne do jego przenikalności 

dielektrycznej i częstotliwości napięcia. Dielektryk po przyłoŜeniu napięcia nagrzewa się i 

wzrost lub ustalenie jego temperatury uzaleŜnione są od warunków chłodzenia, od 

przewodności cieplnej dielektryka oraz od wysokości i zmian napięcia. Przy nadmiernym 

wzroście temperatury moŜliwe jest zniszczenie dielektryka przez stopienie, odparowanie, 

spalenie lub zwęglenie w znacznej objętości lub w ograniczonym kanale, w którym 

wydzielanie ciepła mogło być największe. Ze względu na obecność napięcia i natęŜenia pola 

przegrzanie dielektryka ułatwia lub staje się bezpośrednią przyczyną powstania elektrycznego 

mechanizmu przebicia, lecz przy napięciu przebicia znacznie niŜszym, niŜ wynikałoby z 

wytrzymałości określonej przebiciem istotnym. Problem przebicia cieplnego występuje 

 

7 

szczególnie drastycznie w układach izolacyjnych pracujących przy napięciach przemiennych o 

wielkiej częstotliwości 

 

 

 

Mechanizm jonizacyjno - starzeniowy przebicia dielektryka stałego 

 

 

Jednocześnie z elektrycznym i cieplnym mechanizmem przebicia w dielektrykach 

stałych występuje i inne formy wyładowania, charakteryzujące się tym, Ŝe przebicie zachodzi 

po długim czasie przyłoŜenia napięcia. Temu procesowi przebicia towarzyszą wyładowania 

niezupełne ( w skrócie `wnz` ), powstające wewnątrz izolacji w szczelinach między 

warstwami, pęknięciach, pustych miejscach lub przy zanieczyszczeniach. W tych miejscach 

wad technologicznych (defektach) występuje zwiększone natęŜenie pola powyŜej 

wytrzymałości elektrycznej materiału i następuje nieodwracalne uszkodzenie dielektryka w 

postaci rozgałęzionych kanałów. Kanały te rozwijają się w funkcji czasu, dopóki nie pokryją 

całego odstępu między elektrodami. 

 

Ten rodzaj wyładowania o długim czasie rozwoju nazywany jest wyładowaniem 

drzewiastym.  

 

Fotografie kanałów wnz w polietylenie niskociśnieniowym 

 

8 

a - bush like tree 

b - tree like tree 

 

 

 

 

 

Powstawanie wyładowań we wtrącinach zaczyna się po doprowadzeniu do układu 

napięcia zwanego napięciem jonizacji lub progiem jonizacji dielektryka stałego. Po 

przekroczeniu tego napięcia w dielektryku rosną straty i wzrasta energia pobierana ze źródła. 

Wzrasta więc istotnie wartość tg 

δ

, wskaźnika strat dielektrycznych. 

 

ZaleŜność tg 

δ

 izolacji stałej z wtrącinami gazowymi od napięcia U. 

 

 

Starzeniem nazywamy procesy zachodzące w dielektrykach, w wyniku których 

zmienia on i traci własności izolacyjne. Starzenie wynika nie tylko w wyniku oddziaływania 

pola elektrycznego, lecz równieŜ jest wynikiem zmian chemicznych bądź fizycznych 

zachodzących np. skutkiem utleniania, depolimeryzacji, działania ciepła, promieniowania itp. 

Na procesy te są częściej naraŜone materiały pochodzenia organicznego, przy czym starzenie 

występuje głównie wskutek działania cieplnego i wyładowań niezupełnych. 

 

Dlatego przy doborze wymiarów izolacyjnych konstrukcji z izolacją stałą naleŜy 

uwzględniać nie tylko wytrzymałość krótkotrwałą, ale takŜe i długotrwałą określoną stratami 

dielektrycznymi i procesami starzeniowymi. Robocze natęŜenie winno być wybrane duŜo 

mniejsze, niŜ natęŜenie przy którym występują wyładowania niezupełne. Oczekiwany czas 

Ŝ

ycia izolacji przyjmuje się obecnie na nie mniejszy niŜ 20 lat.