Badanie wytrzymałości dielektrycznej (DWV)

Badanie wytrzymałości napięciowej dielektryka (DWV), często nazywane badaniem wytrzymałości napięciowej lub badaniem dielektryka mokrego, jest jednym z najczęściej stosowanych testów podczas kontroli kabli. Dzieje się tak, ponieważ test ten stanowi najważniejszą część oceny izolacji kabla. Ta metoda badania pozwala ustalić, czy izolacja kabla nie ma uszkodzeń, czy też uległa takiemu pogorszeniu, że wysokie napięcie spowodowało uszkodzenie któregokolwiek ze słabych punktów izolacji.

Podstawowa koncepcja badania DWV polega na tym, że cały kabel, z wyjątkiem około 2 cm na każdym końcu, umieszcza się w kąpieli wodnej, a następnie pomiędzy przewodnikiem a elektrodą powrotną w kąpieli wodnej przykłada się wysokie napięcie. Jeżeli izolacja jest uszkodzona, można odczuć przepływ prądu. W przypadku tego testu następujące parametry można zmieniać w razie potrzeby: czas nagrzewania przed testem, amplitudę napięcia, rodzaj napięcia (prąd przemienny lub stały), czas trwania przyłożonego napięcia, częstotliwość napięcia na próbce oraz wysokość.

Badanie wytrzymałości napięciowej dielektryka (DWV) stanowi integralną część oceny bezpieczeństwa produktu – urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Dostarcza producentom istotnych informacji o jakości i przydatności wybranego systemu izolacyjnego. Test polega na przyłożeniu na jedną minutę bardzo wysokiego napięcia do bariery izolacyjnej urządzenia. Jeżeli napięcie izolacji utrzymuje się, uznaje się, że urządzenie przeszło test pomyślnie. Jeśli jednak przyłożone napięcie spowoduje nagłe uszkodzenie materiału izolacyjnego i umożliwi przepływ prądu, izolacja zostanie uznana za niewystarczającą, ponieważ może stwarzać zagrożenie porażenia prądem elektrycznym użytkowników.

Chociaż badanie wytrzymałości dielektrycznej jest powszechnie stosowane, prawdziwy cel badania jest często źle rozumiany, co może prowadzić do niekompletnych badań lub mylących wyników. Mechanizm działania materiałów izolacyjnych polega na tym, że prąd płynie w materiale, gdy przyłoży się do niego siłę elektromotoryczną wystarczająco dużą, aby wymusić ruch ładunku elektrycznego. Ruch ładunku przenoszony jest przez elektrony w materiale i można go mierzyć jako prąd elektryczny. Metale takie jak miedź mają wiele wolnych elektronów, które mogą przenosić ładunki elektryczne. Dzięki temu miedź jest dobrym przewodnikiem, gdyż stawia niewielki opór przepływowi ładunku, a strata energii w postaci ciepła wskutek przepływu prądu jest minimalna.

Właściwości materiałów przewodzących znacznie różnią się od właściwości izolatorów, których struktura fizyczna uniemożliwia swobodne przemieszczanie się elektronów. Ponieważ elektrony nie mogą się swobodnie poruszać, nie mogą skutecznie przenosić ładunku przez materiał. Jednakże zawsze można uczynić materiał przewodzącym, poddając go działaniu odpowiednio wysokiego napięcia.

Przebicie dielektryczne materiału izolacyjnego jest złożonym zjawiskiem fizycznym, ale ogólnie można je zdefiniować jako nagłą zmianę rezystancji badanej izolacji na skutek przyłożonego napięcia. Mówiąc prościej, napięcie probiercze pogarsza właściwości izolacyjne materiału. Mechanizm przebicia dielektryka rozpoczyna się od przyłożenia silnego pola elektrycznego o wysokim napięciu do materiału izolacyjnego. Aby doszło do przebicia dielektryka, różne materiały wymagają różnego poziomu pola elektrycznego. Metale i inne przewodniki mają swobodne elektrony bez przyłożenia pola elektrycznego, natomiast materiały izolacyjne zwykle wymagają bardzo silnego pola elektrycznego, aby umożliwić przepływ prądu elektrycznego.

Gdy pole elektryczne jest wystarczające, przekazuje energię elektronom izolatora, aż uzyskają one wystarczającą energię, aby przekroczyć przerwę energetyczną i przejść do pasma przewodnictwa, znacznie zwiększając przewodność materiału. Tę przemianę nazywamy przebiciem dielektrycznym, a pole elektryczne niezbędne do zainicjowania przebicia nazywa się wytrzymałością dielektryczną lub wytrzymałością przebicia. Przebicie dielektryczne jest nagłym i drastycznym wzrostem przewodności elektrycznej materiału na skutek przyłożonego napięcia.

Badanie wytrzymałości napięciowej dielektryka może dostarczyć istotnych informacji na temat możliwości i ograniczeń układu izolacyjnego urządzenia. Jednakże celem tego testu jest jedynie ocena wytrzymałości elektrycznej izolacji. Podczas badania dielektrycznego nie należy porównywać natężenia prądu z limitami prądu upływu urządzenia, ponieważ badanie dielektryczne jest wykonywane przy znacznie wyższym napięciu.

Do przebicia dielektryka dochodzi, gdy materiał izolacyjny zostanie wystawiony na działanie wyjątkowo wysokiego napięcia. Badanie wytrzymałości dielektrycznej, zawarte w wielu normach międzynarodowych, to metoda badawcza mająca na celu stworzenie warunków mogących spowodować przebicie dielektryczne produktu. Jeżeli w tych warunkach nie nastąpi przebicie dielektryczne, izolacja i konstrukcja produktu są odporne na to zagrożenie nawet przy ekstremalnie wysokich napięciach.

Badania wytrzymałości dielektrycznej na napięcie są często przeprowadzane łącznie z innymi wymaganiami, takimi jak badanie odporności na deszcz lub kondycjonowanie smaru. Podczas testu deszczowego produkt jest wystawiany na działanie wody spryskiwanej z góry, aby sprawdzić, czy w izolacji produktu występuje usterka, która mogłaby spowodować, że woda będzie pełnić rolę przewodnika prądu.

Badanie wytrzymałości dielektrycznej (DWV) ma kluczowe znaczenie dla oceny jakości izolacji elektrycznej komponentów i systemów. Procedury i wymagania dotyczące tego badania są określone w kilku normach. Na szczególną uwagę zasługują:

• Norma „ASTM D3755-20 Standardowa metoda badania napięcia przebicia dielektrycznego i wytrzymałości dielektrycznej stałych materiałów izolacyjnych pod wpływem stałego napięcia” opisuje metodę badania służącą do określania napięcia przebicia dielektrycznego i wytrzymałości dielektrycznej stałych materiałów izolacyjnych pod wpływem stałego napięcia.
• Norma „ASTM F1662-04 Standardowa metoda testowania w celu sprawdzenia określonego napięcia wytrzymywanego dielektryka i określenia napięcia przebicia dielektryka przełącznika membranowego” opisuje procedurę weryfikacji określonego napięcia wytrzymywanego dielektryka lub napięcia przebicia dielektryka przełącznika membranowego.
• Norma „MIL-STD-202 Metoda 301 Wytrzymałość dielektryczna” opisuje metodę polegającą na przyłożeniu napięcia wyższego od napięcia znamionowego przez określony czas między wzajemnie izolowane części składowe lub między izolowane części a uziemienie.

Nasza organizacja, która od lat stara się wspierać przedsiębiorstwa z każdej branży, realizując szeroką gamę badań testowych, pomiarowych, analitycznych i ewaluacyjnych, dysponuje silną kadrą, która uważnie śledzi rozwój nauki i techniki na świecie oraz nieustannie się doskonali. W tym kontekście usługi testowania wytrzymałości dielektrycznej (DWV) są również świadczone przedsiębiorstwom.