सिलिकॉन के विद्युत गुणधर्म: परावैद्युत सामर्थ्य, प्रतिरोधकता और वे स्थान जहाँ इन्सुलेशन वास्तव में विफल हो जाता है

अधिकांश विनिर्देश सिलिकॉन को "एक इन्सुलेटर" के रूप में मानते हैं - एक शब्द, एक गुण, जो एक चार्ट से लिया गया है। यह पुर्जा फ़ैक्टरी हिपोट परीक्षण पास कर लेता है। इसे भेज दिया जाता है। पहले वर्ष यह ठीक वैसा ही प्रदर्शन करता है जैसा डेटाशीट में वादा किया गया है।.

फिर एक तटीय सबस्टेशन में उच्च-वोल्टेज टर्मिनेशन में खराबी आने लगती है। एक बसबार बूट, जो डाइइलेक्ट्रिक परीक्षण में पास हो गया था, तीन सर्दियों तक खारे कोहरे के कारण उसकी सतह पर कार्बन की एक परत बन जाती है। मूल सामग्री में कोई परिवर्तन नहीं हुआ था। यह खराबी बेंच डाइइलेक्ट्रिक परीक्षण में कभी सामने नहीं आ सकती थी, क्योंकि वह परीक्षण इस अनुप्रयोग के लिए गलत चीज़ को मापता है।.

सिलिकॉन एक प्रबल विद्युत कुचालक है—इसका आयतन प्रतिरोधकता लगभग 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm और परावैद्युत सामर्थ्य 18–25 kV/mm है—लेकिन “कुचालक” शब्द चार अलग-अलग संख्याओं से मिलकर बना है, न कि एक संख्या से, और अधिकांश उच्च-वोल्टेज पुर्जों की विफलता सतह पर होने वाले क्षरण के कारण होती है, न कि थोक क्षरण के कारण। यही आधार बहुलक अर्धचालक और पूर्णतः चालक दोनों प्रकार के विद्युत कुचालकों में पाया जाता है; विद्युत कुचालक गुण सिलिकॉन से नहीं, बल्कि उसमें मौजूद द्रव सामग्री से निर्धारित होता है।. ये वे सीमाएँ हैं जहाँ वे स्थित होती हैं और वास्तव में प्रत्येक सीमा का सत्यापन इसी प्रकार होता है।.

कार्यकारी सारांश

• परावैद्युत सामर्थ्य एक मोटाई संख्या है, न कि एक पदार्थ स्थिरांक।. 1 मिमी के नमूने पर 23 kV/mm की रेटिंग वाला ग्रेड आपको 10 मिमी पर 230 kV नहीं देता है - kV/mm का मान सेक्शन की मोटाई बढ़ने के साथ घटता है, और तापमान बढ़ने के साथ फिर से घटता है।.
• उच्च वोल्टेज वाले पुर्जे सतह पर खराब होते हैं, न कि आंतरिक भाग में।. संदूषण के तहत ट्रैकिंग और क्षरण (IEC 60587) बाहरी और उच्च वोल्टेज जीवन को नियंत्रित करते हैं। हाइड्रोफोबिसिटी रिकवरी के मामले में सिलिकॉन बेहतर है, लेकिन यह बल्क डाइइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ से एक अलग गुण और अलग परीक्षण है।.
• यह फिलर विद्युत वर्ग को परिभाषित करता है।. अनफिल्ड VMQ 10¹⁵ Ω·cm पर इन्सुलेट करता है; कार्बन-युक्त ग्रेड 10⁰–10² Ω·cm पर चालक होते हैं। "सिलिकॉन" निर्दिष्ट करने से यह स्पष्ट नहीं होता कि भाग इन्सुलेट करता है या चालक।.

"इंसुलेटिंग" का असल मतलब क्या है: एक नहीं, बल्कि चार संख्याएँ।

एक उपयोगी विद्युत विनिर्देश चार गुणों को अलग करता है, जिनमें से प्रत्येक का अपना परीक्षण और विफलता का अपना तरीका होता है। इन्हें एक ही "इन्सुलेशन" रेटिंग के रूप में मानना ही अधिकांश अपूर्ण विनिर्देशों की शुरुआत है।.

कम अपव्यय कारक और स्थिर पारगम्यता के कारण सिलिकॉन का उपयोग आरएफ कनेक्टर और एचवी स्ट्रेस कोन में किया जाता है - यह आवेश को अनुमानित रूप से संग्रहित और मुक्त करता है और ऊष्मा के रूप में इसका बहुत कम अपव्यय करता है। लेकिन इनमें से कोई भी थोक संख्या सतह के व्यवहार की भविष्यवाणी नहीं करती है जो वास्तव में बाहरी उपयोग को नियंत्रित करता है।.

परावैद्युत सामर्थ्य एक मोटाई संख्या है, न कि एक पदार्थ स्थिरांक।

सिलिकॉन डेटाशीट पर यह आंकड़ा सबसे अधिक गलत समझा जाता है। परावैद्युत सामर्थ्य को kV/mm में दर्शाया जाता है, और लोग चुपचाप मान लेते हैं कि यह रैखिक रूप से बढ़ता है। ऐसा नहीं है।.

सेक्शन की मोटाई बढ़ने पर ब्रेकडाउन ग्रेडिएंट कम हो जाता है - इसका एक कारण यह है कि मोटे सेक्शन परीक्षण के दौरान अधिक ऊष्मा को रोकते हैं, और दूसरा कारण यह है कि आंतरिक शून्य या फिलर एग्लॉमेरेट के मौजूद होने की सांख्यिकीय संभावना बढ़ जाती है। 1 मिमी पर 23 kV/mm का ग्रेड 6 मिमी की दीवार में प्रति मिलीमीटर लगभग आधा ही डिलीवर कर सकता है। पतले सैंपल नंबर के आधार पर मोटा इंसुलेटर डिज़ाइन करने से ऐसा पार्ट बनता है जो अपने रेटेड वोल्टेज से नीचे ही पंक्चर हो जाता है।.

उत्पादन में शामिल संख्या को प्रभावित करने वाले दो और कारक हैं:

• तापमान।. जैसे-जैसे भाग गर्म होता है, परावैद्युत सामर्थ्य कम होती जाती है। 23°C पर रेटेड बूट 150°C बसबार के संपर्क में रखे जाने पर अलग तरह से व्यवहार करता है। इसे ग्रेड के तापीय व्यवहार के साथ जोड़कर देखें।.
• रिक्त स्थान और सरंध्रता।. अपूर्ण गैस निष्कासन या फंसी हुई फ्लैश से उत्पन्न वायु छिद्र आंशिक-निकासी स्थल बन जाते हैं। वे एक छोटी हिपोट प्रक्रिया से गुजरते हैं और फिर महीनों में आसपास के पॉलिमर को नष्ट कर देते हैं।.

एएसटीएम डी149 आईईसी 60243 प्रयोगशाला को अल्पकालिक, चरणबद्ध या धीमी गति से वोल्टेज लगाने का विकल्प भी देता है, और इलेक्ट्रोड की ज्यामिति और आसपास का माध्यम (हवा बनाम तेल) सभी परिणाम को प्रभावित करते हैं। परीक्षण स्थितियों के बिना परावैद्युत सामर्थ्य का आंकड़ा विभिन्न आपूर्तिकर्ताओं के बीच तुलनीय नहीं है।.

प्रतिरोधकता और चालकता सीमा का सिरा

"सिलिकॉन" शब्द चालकता के बारे में कुछ नहीं बताता। Si–O बैकबोन भराव सामग्री के आधार पर प्रतिरोधकता के चार दशकों को कवर करता है:

• इन्सुलेटिंग वीएमक्यू: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. बूट, स्लीव और एनकैप्सुलेशन के लिए मानक।.
• अर्धचालक श्रेणीयाँ: लगभग 10³–10⁶ Ω·cm, जिसका उपयोग विद्युत क्षेत्र को नियंत्रित करने के लिए HV केबल टर्मिनेशन पर तनाव ग्रेडिंग के लिए किया जाता है।.
• चालक (कार्बन-ब्लैक युक्त): 10⁰–10² Ω·cm, जिसका उपयोग EMI/RFI शील्डिंग गैस्केट, ESD पार्ट्स और सिलिकॉन कीपैड में कार्बन कॉन्टैक्ट पिल्स के लिए किया जाता है।.

चालकता उत्पन्न करने वाले फिलर की मात्रा यांत्रिक व्यवहार को भी बदल देती है — चालकता वाले ग्रेड आमतौर पर बिना फिलर वाले सिलिकॉन की तुलना में अधिक कठोर, कम खिंचाव वाले और संपीड़न-सेट संबंधी समस्याओं के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं। चालकता मुफ्त में नहीं मिलती।. एएसटीएम डी257 आईईसी 60093 में सतह और आयतन प्रतिरोधकता दोनों को शामिल किया गया है, और किसी भाग के दूषित होने पर दोनों में तेजी से अंतर आ जाता है, जो विफलता के उस तरीके का मुख्य कारण है जो सबसे ज्यादा मायने रखता है।.

सतह ट्रैकिंग और क्षरण: उच्च-वोल्टेज सिलिकॉन वास्तव में कहाँ विफल होता है

बाहरी उच्च वोल्टेज वाले पुर्जे को खराब करने में बल्क डाइइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ का योगदान बहुत कम होता है। सतह पर होने वाली लीकेज ही इसका मुख्य कारण है। प्रदूषण और नमी के कारण, लीकेज करंट शुष्क बैंड, आर्क में केंद्रित हो जाता है और धीरे-धीरे सतह पर एक प्रवाहकीय पथ को कार्बनयुक्त कर देता है। एक बार जब यह लीकेज पुर्जे को पार कर जाता है, तो बल्क प्रतिरोधकता अप्रासंगिक हो जाती है।.

सिलिकॉन का असली फायदा यहाँ उसकी जलरोधकता में है — और विशेष रूप से हाइड्रोफोबिसिटी रिकवरी. पानी की बूंदें सतह पर परत की तरह जमने के बजाय फैलती हैं, जिससे रिसाव कम रहता है; सतह के अस्थायी रूप से गीला या दूषित होने पर भी, कम आणविक भार वाली श्रृंखलाएं सतह पर स्थानांतरित हो जाती हैं और जल-विकर्षक क्षमता को बहाल कर देती हैं। यही कारण है कि सिलिकॉन रबर ने उच्च ताप रोधक और केबल सहायक उपकरणों में EPDM और पोर्सिलेन की जगह ले ली है। यह सतह-रसायन का गुण है, न कि समग्र गुण, और यह सामग्री के व्यापक जल-विकर्षक व्यवहार से जुड़ा है।.

लेकिन जलरोधकता अनंत नहीं होती। लगातार शुष्क-पट्टी चापिंग के तहत सतह का क्षरण होता है, और ट्रैकिंग प्रतिरोध काफी हद तक भराव सामग्री पर निर्भर करता है। एल्यूमिना ट्राईहाइड्रेट (एटीएच) इसे विशेष रूप से जल मुक्त करके और एक सुरक्षात्मक अकार्बनिक अवशेष बनाकर ट्रैकिंग और कटाव प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए जोड़ा जाता है। इसके लिए निर्धारित परीक्षण ऊपर दिए गए सभी परीक्षणों से भिन्न हैं:

• आईईसी 60587 — झुकाव-तल ट्रैकिंग और क्षरण, कोर एचवी आउटडोर परीक्षण
• आईईसी 60112 (सीटीआई) — निम्न-वोल्टेज क्रीपेज डिज़ाइन के लिए तुलनात्मक ट्रैकिंग सूचकांक
• एएसटीएम डी495 उच्च-वोल्टेज चाप प्रतिरोध

एक टीम जो किसी बाहरी हिस्से के लिए केवल थोक परावैद्युत शक्ति का विनिर्देश करती है, उसने उस गुण का परीक्षण किया है जिसके विफल होने की संभावना सबसे कम है और उस गुण को अनदेखा कर दिया है जिसके विफल होने की संभावना सबसे अधिक है।.

उम्र बढ़ना, आंशिक निर्वहन और धीमी गति से बदलाव

सिलिकॉन के विद्युत गुण कार्बनिक रबर की तुलना में तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में स्थिर रहते हैं - लगभग -50°C से 200°C तक, प्रतिरोधकता या पारगम्यता में बहुत कम परिवर्तन के साथ। यह स्थिरता वास्तविक है और इसे चुनने का एक ठोस कारण है। विचलन यांत्रिकी के कारण होता है, न कि रसायन विज्ञान.

सीलिंग या पॉटिंग प्रक्रिया में, संपीड़न सेट समय के साथ सूक्ष्म अंतराल पैदा करता है। ये अंतराल आंशिक-डिस्चार्ज स्थल बन जाते हैं। आंशिक डिस्चार्ज पहले दिन पार्ट को भेदता नहीं है; यह धीरे-धीरे रिक्त स्थान की दीवार पर पॉलीमर को नष्ट करता है, जब तक कि एक मार्ग न बन जाए - अक्सर एक साफ फैक्ट्री हिपोट के कई वर्षों बाद। पार्ट की डाइइलेक्ट्रिक क्षमता खराब नहीं होती। इसमें एक ऐसी आंतरिक ज्यामिति विकसित हो जाती है जो मूल परीक्षण में कभी नहीं देखी गई थी। यही वह अंतर है जिसे टीमें नज़रअंदाज़ कर देती हैं: सत्यापन पार्ट को मोल्ड किए जाने के बाद की स्थिति में कैप्चर करता है, न कि पार्ट की वास्तविक स्थिति में। वृद्ध और संपीड़ित.

टीमें इसे कम क्यों आंकती हैं?

यह पैटर्न सुसंगत है। "सिलिकॉन एक इंसुलेटर है" यह सत्य है, इसलिए इसे एक एकल बाइनरी गुण के रूप में माना जाता है और विनिर्देश यहीं समाप्त हो जाता है। इसके बाद तीन चीजें अनसुलझी रह जाती हैं।.

पहली बात, डाइइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ को एक स्केलेबल कॉन्स्टेंट के रूप में पढ़ा जाता है, इसलिए पतले सैंपल डेटा के आधार पर मोटे सेक्शन डिज़ाइन किए जाते हैं और सुरक्षा मार्जिन धीरे-धीरे गायब हो जाता है। दूसरी बात, बल्क ब्रेकडाउन का परीक्षण किया जाता है जबकि सरफेस ट्रैकिंग — वास्तविक आउटडोर विफलता मोड — का कभी उल्लेख नहीं किया जाता, क्योंकि इसके लिए एक अलग मानक की आवश्यकता होती है जिसके बारे में अधिकांश खरीदारों को पूछना नहीं आता। तीसरी बात, पार्ट को मोल्डिंग के बाद ही क्वालिफाई किया जाता है, इसलिए पार्शियल-डिस्चार्ज इरोजन और कम्प्रेशन-सेट गैप, जिन्हें विकसित होने में वर्षों लग जाते हैं, वैलिडेशन में कभी दिखाई नहीं देते।.

इसमें अक्षमता का कोई हाथ नहीं है। बात यह है कि मुख्य विशेषता आसानी से मिल जाती है, लेकिन नियंत्रक विशेषताएं डेटाशीट के पहले पृष्ठ पर नहीं दी गई हैं।.

ग्रेड की पुष्टि करने से पहले मुझे क्या चाहिए

इससे पहले कि मैं विद्युत ग्रेड, फिलर सिस्टम और उपचार को अंतिम रूप दूं, कृपया उन स्थितियों को भेजें जो वास्तव में इन संख्याओं को प्रभावित करती हैं:

• ऑपरेटिंग वोल्टेज, वेवफॉर्म (डीसी / एसी / पल्स), और निरंतर बनाम क्षणिक ड्यूटी
• डिजाइन में सबसे पतला इन्सुलेटिंग दीवार खंड
• घर के अंदर या बाहर, प्रदूषण/संदूषण का स्तर और आर्द्रता
• उस भाग पर परिचालन और अधिकतम तापमान
• चाहे भाग को इन्सुलेट करना हो, तनाव-प्रतिरोधी (अर्ध-चालक) होना हो या चालक होना हो।
• अनुपालन लक्ष्य: यूएल 746 (आरटीआई), आईईसी 60587 ट्रैकिंग क्लास, और कोई भी ज्वलनशीलता रेटिंग, जो ग्रेड के लौ और अग्नि व्यवहार से संबंधित हो।

इन जानकारियों के आधार पर, मैं आपको बता सकता हूँ कि क्या एक मानक इंसुलेटिंग VMQ उपयुक्त है, क्या आपको ATH-युक्त ट्रैकिंग-प्रतिरोधी ग्रेड की आवश्यकता है, या क्या अनुप्रयोग के लिए अर्ध-चालक या चालक यौगिक की आवश्यकता है। वोल्टेज, दीवार की मोटाई और वातावरण की जानकारी के बिना, मेरे द्वारा दिया गया कोई भी परावैद्युत मान एक परीक्षण कूपन का वर्णन करता है, न कि आपके उत्पाद का।.

संदर्भ एवं मानक

• ASTM D149 — ठोस विद्युत इन्सुलेटिंग पदार्थों का परावैद्युत विखंडन वोल्टेज और परावैद्युत सामर्थ्य — एएसटीएम इंटरनेशनल
• ASTM D257 — इन्सुलेटिंग पदार्थों का DC प्रतिरोध या चालकता — एएसटीएम इंटरनेशनल
• ASTM D150 — ठोस विद्युत इन्सुलेशन की AC हानि विशेषताएँ और पारगम्यता (परावैद्युत स्थिरांक) — एएसटीएम इंटरनेशनल
• ASTM D495 — ठोस विद्युत इन्सुलेशन का उच्च-वोल्टेज, निम्न-धारा, शुष्क चाप प्रतिरोध — एएसटीएम इंटरनेशनल
• आईईसी 60587:2022 — इन्सुलेटिंग सामग्रियों के क्षरण और कटाव के प्रति प्रतिरोध - इंटरनेशनल इलेक्ट्रोटेक्नीकल कमीशन
• आईईसी 60112 — तुलनात्मक ट्रैकिंग सूचकांक (सीटीआई) — यूएल सॉल्यूशंस
• UL 746B — पॉलिमरिक सामग्री, दीर्घकालिक गुण मूल्यांकन (RTI) — यूएल मानक और सहभागिता
• एल्यूमिना ट्राईहाइड्रेट (एटीएच) / एल्युमिनियम हाइड्रॉक्साइड — ज्वाला मंदक तंत्र — साइंसडायरेक्ट टॉपिक्स