Электрическая прочность воздуха при

ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ

 

Электрическая прочность Е_пр - основная характеристика любого вида изоляции

Е_пр = U_пр/ а,

где U_пр - напряжение, при котором происходит пробой, а - толщина изоляции.

ПРОБОЙ ОДНОРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА

В равномерном электрическом поле формирование пробоя воздуха при постепенном повышении постоянного напряжения проходит следующие стадии.

1. Дрейф под действием сил электрического поля свободных электронов и ионов, создаваемых посторонними ионизаторами.

2. Образование лавин ударной ионизации.

3. Переход разряда из несамостоятельного в самостоятельный.

4. Образование стримера и лидера.

5. Образование дуги.

 

При высоких давлениях формирование разряда будет происходить следующим образом: поверхностная ионизация на катоде теряет свое определяющее значение, и основным источником образования вторичных электронов становится фотоиониация в объеме газа. Если напряженность поля достаточно велика, объемный заряд лавин значителен и создает существенное искажение внешнего поля, канал лавины начинает испускать большое количество фотонов еще до того, как положительные ионы начальной лавины уйдут на катод. Образованные этими фотонами вторичные электроны дадут начало новым лавинам, электроны, которых будут притягиваться объемным положительным зарядом, расположенным в головке начальной лавины (рис. 1.3а). В пространстве, заполненном объемными зарядами, средняя напряженность поля невелика, поэтому большее количество проникших туда электронов превращается в отрицательные ионы, и в месте расположения положительного объемного заряда образуется канал, заполненный плазмой – так называемый стример (рис. 1.3б).

Канал стримера является проводящим, поэтому на его конце создается повышенная напряженность поля. Между тем продолжающаяся фото ионизация в объеме приводит к образованию все новых лавин, которые двигаются в направлении наиболее сильного поля, т.е. к головке стримера. Электроны этих лавин уходит в канал стримера, а ионы создают вблизи его головки объемный положительный заряда, который притягивает последующие лавины, превращающие его в плазму (рис. 1.3 б и в). Таким образом, канал стримера постепенно удлиняется. Прорастая к катоду, причем этот процесс идет со все возрастающей скоростью, так как напряженность поля на головке стримера по мере его продвижения вглубь промежутка непрерывно увеличивается. После пересечения стримером всего пространства между электродами пробой можно считать завершенным, т.к. в промежутке образовался сквозной проводящий канал, заполненный плазмой (рис. 1.3г).

Если напряженность поля между электродами увеличить, то достаточное для возникновения фотоиноизации в объеме искажение поля наступает еще до того, как начальная лавина пересечет весь промежуток между электродами (рис. 1.4).

 

 

-

Рис. 1.3 Возникновение и развитие анодного стримера.

1-начальная лавина, 2-вторичные лавины, 3-скопление положительных зарядов на головке стримера, 4-анодный стример

 

 

 

Рис. 1.4 Развитие разряда в однородном

поле при напряжении выше начального.

 

 

ПРОБОЙ РЕЗКО НЕОДНОРОДНОГО ПРОМЕЖУТКА

Когда электроды, на которые подано напряжение, имеют форму стержень-плоскость, поле в промежутке — резко неоднородное. В этом случае пробивное напряжение U_пр будет зависеть и от полярности стержня.

В промежутке игла - плоскость начальная ионизация будет развиваться в области наиболее сильного поля, т.е. около иглы. Возникающий в этой области положительный объемный заряд будет по-разному искажать электрическое поле в зависимости от полярности иглы.

При положительной полярности иглы (рис.1.6,а) появившийся в промежутке электрон, двигаясь к игле и попадая в область сильного поля, производит ударную ионизацию. Электроны, имеющие малую массу и большую скорость движения, быстро уходят к игле, а положительные ионы, оставаясь в пространстве, медленно движутся к противоположному электроду (отрицательной плоскости). Около положительной иглы создается избыточный положительный объемный заряд. Вектор напряженности поля, дополнительно созданный объемным зарядом, сонаправлен с вектором напряженности в основном промежутке и противоположно направлен основному вблизи иглы. В результате напряженность поля вблизи иглы уменьшается и усиливается на некотором удалении от иглы.

Ионизация вблизи иглы ослабляется, затрудняя образование короны. В остальной части промежутка ионизация усиливается. Таким образом, при положительной игле и отрицательной плоскости положительный объемный заряд способствует пробою, что соответствует уменьшению электрической прочности.

При отрицательной полярности иглы (рис.1.6,б) процесс ионизации также начнется вблизи более острого электрода, так как напряженность поля в этой области наибольшая. Электроны попадают в сильное поле, образуя лавины, развивающиеся в сторону плоскости. Они быстро покидают каналы лавин, оставляя позади положительный объемный заряд, усиливающий поле около иглы, что приводит к образованию большого числа лавин. Создается однородный плазменный слой, играющий роль экрана с радиусом кривизны, большим, чем игла. Основной промежуток становится более однородным.

Положительный объемный заряд обладает большой плотностью и искажает поле, приводя к увеличению напряженности поля вблизи иглы, что облегчает образование коронного разряда. В данном случае положительный объемный заряд ускоряет частичный пробой воздуха около иглы (катода), но тормозит пространственное развитие канала пробоя и возникновение полного пробоя промежутка, т.к. напряженность объемного заряда направлена противоположно напряженности основного промежутка.

Ввиду рассмотренных особенностей влияния полярности электродов напряжение полного пробоя промежутка при положительной полярности иглы в 2 - 2,5 раза ниже, чем при отрицательной игле.

Эффект полярности при постоянном напряжении проявляется в изменении величины электрической прочности воздушного промежутка при перемене полярности электродов.

Для формирования объемного заряда требуется время, поэтому чем быстрее повышается напряжение, тем меньше проявляется эффект полярности.

Эффект барьера сводится к изменению электрического поля между электродами, т.к. происходит перераспределение объемного заряда в процессе развития ионизации. В качестве барьера может быть использован тонкий листовой диэлектрик, помещенный между электродами на пути формирования пробоя, (рис.1.7). Собственная электрическая прочность барьера может быть несоизмеримо меньше прочности всего промежутка.

При проведении опытов в лаборатории в качестве барьера используется бумага. Если барьер расположен на некотором расстоянии от иглы, на его поверхности накапливаются заряды того же знака, какой имеет игла. На рис.1.7,А дана картина поля для случая положительной иглы и отрицательной плоскости. Промежуток игла - плоскость с барьером между ними разбивается на два последовательно включенных промежутка: барьер - плоскость со слабо неравномерным полем и игла - барьер с резко неравномерным полем (рис.1.7,А).

 

неверно

 

Рис. 1.6. Картины поля в промежутке игла-плоскость:

1 - распределение напряженности в поле до появления объёмного заряда; 2 - после его появления

Е_об - электрическое поле, создаваемое объёмным положительным зарядом

а, б - игла (плюс) - плоскость (минус);

в, г - игла (минус) - плоскость (плюс)

 

Рис. 1.7. Распределение напряженности поля в промежутке между иглой и плоскостью при наличии барьера (1) и при его отсутствии (2).

А - игла положительная;

В - игла отрицательная

В промежутке а ₂ проводимость увеличивается за счет короны. Поэтому напряжение распределяется крайне неравномерно. Пробивное напряжение полного промежутка определяется пробивными напряжениями промежутков а ₁ и а ₂ в зависимости от местоположения барьера. При формировании пробоя между положительной иглой и отрицательной плоскостью на барьере задерживаются положительные ионы воздуха, возникающие в процессе ударной ионизации и отталкиваемые от положительной иглы. В промежутке а ₁ поле выравнивается. В промежутке а ₂ поле остается неравномерным, но значительно ослабляется зарядом барьера.

В результате более равномерного распределения напряженности между барьером и плоскостью электрическая прочность всего промежутка увеличивается. Поэтому барьер желательно ставить ближе к игле. При расположении барьера на оптимальном расстоянии от иглы (0,2 - 0,25) а пробивное напряжение промежутка возрастает в 2 - 2,5 раза по сравнению с пробивным напряжением того же промежутка без барьера.

При отрицательной игле (рис.1.7,Б) электроны, двигаясь от иглы и образуя отрицательные ионы воздуха, попадают на барьер и оседают на его поверхности. Если в отсутствие барьера основную роль играл положительный объемный заряд, который уменьшал напряженность поля в основной части промежутка, то при наличии барьера значительную роль начинает играть отрицательный заряд, сконцентрированный в нем.

Этот заряд увеличивает напряженность поля между барьером и плоскостью. В результате в промежутке усиливается ионизация, что приводит к снижению электрической прочности всего промежутка, и облегчает его пробой. При отрицательной игле барьер, расположенный на расстоянии а ₂ = (0,2 - 0,25) а от иглы, не только не дает существенного увеличения пробивного напряжения, но даже может несколько уменьшить его.

Наличие барьера между иглой и плоскостью в средней зоне практически ликвидирует эффект полярности; пробивные напряжения при обеих полярностях оказываются близкими.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ГАЗА

1. Температура

Давление для нормальных условий: давление Р=101,3 кПа
(760 мм рт. ст.), температура окружающего воздуха 20 °С, т.е. относительная плотность d = 1. Известно, что в пределах d = 0,96 - 1,09 пробивное напряжение воздуха прямо пропорционально относительной плотности d. Поэтому для определения действительного пробивного напряжения шарового разрядника в условиях опыта необходимо найденные по таблицам величины напряжения умножить на относительную плотность d, определенную по формуле

 

d = 0,386×р/(273 + t),

где р - атмосферное давление, мм.рт.ст.;

t - температура окружающего воздуха, ^оС.

 

2.

3. Форма электродов

4. Расстояние между электродами

5. Частота напряжения

6. материал электродов

состав и природа газов

 

В данной лабораторной работе изучаются виды разрядов, наблюдаемых в ходе проведения опытов и влияние некоторых из перечисленных факторов на пробивное напряжение газов.

 

Схема установки

В зависимости от места проведения лабораторной работы для получения высокого постоянного напряжения используется схема а или б, приведенная на рис.1.8.

На рис.1.8,а приведена схема выпрямления с удвоением напряжения. Напряжение снимается с двух последовательно соединенных конденсаторов. Оно равно двойному амплитудному напряжению трансформатора Т за вычетом небольшого падения напряжения в цепи заряда. На рис. 1.8,б приведена схема выпрямления с использованием двух высоковольтных трансформаторов Т1 и Т2, вторичные обмотки которых соединены последовательно при заземлении средней точки. Выпрямленное напряжение, снимаемое с двух последовательно соединенных конденсаторов, равно двум амплитудным напряжениям каждого из трансформаторов.

Высокое постоянное напряжение получается путем заряда конденсаторов С1 и С2 через высоковольтные полупроводниковые вентили VD1 и VD2 от трансформатора высокого напряжения промышленной частоты. Сопротивление R1(рис.1.8,а) или R1, R2 (рис.1.8,б) служат для защиты трансформатора от всевозможных перенапряжений, возникающих в момент пробоя испытуемого объекта или измерительных шаров. Сопротивления R2, R3(рис.1.8,а) или R3, R4 (рис.1.8,б) служат для защиты конденсаторов при пробое испытуемого объекта.

Для отключения установки в момент пробоя используется реле Р максимального тока (SB2 — кнопка включения контактора).

 

 

Рис. 1.8. Схема установки для получения выпрямленного высокого напряжения:

а - с одним высоковольтным трансформатором;

б - с двумя трансформаторами

 

.

Регулирование величины первичного напряжения производится плавно при помощи лабораторного автотрансформатора. Повторное включение высокого напряжения после автоматического отключения при пробое производится только после уменьшения первичного напряжения до нуля.

Для измерения вторичного напряжения испытательной установки используется вольтметр, включенный на первичной стороне. Значение вторичного напряжения определяется с помощью градуировочной кривой, снятой при холостом ходе установки (без объекта испытания).

Необходимо учитывать, что при измерении разрядных напряжений в резко неравномерных полях, когда полному пробою предшествует корона или скользящий разряд, пользование градуировочной кривой, полученной без подключенного объекта, вызывает дополнительную погрешность.

Перед началом опытов студенты должны в присутствии преподавателя убедиться, что схема выключена и заземлена, ознакомиться с точками схемы, требующими заземления для полного разряда ее; ознакомиться с оборудованием; установить полярность выводов схемы (по положению вентилей).

 

ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

 

1. Определить поправочный коэффициент, учитывающий условия проведения опыта (с. 000, ф.111).

Для расчетов необходимо записать значение температуры и давления, используя барометр, установленный на стенде.

2. Определить напряжение пробоя воздуха в однородном поле. Для этого на выходе схемы (см. рис. 1) включить измерительные шары и, меняя между ними расстояние а, регистрировать величину первичного напряжения трансформатора U₁ в момент пробоя между шарами. Данные занести в таблицу 1.2. Определить вторичное напряжение U_2т, используя градуировочную кривую на стенде или данные, приведенные в Приложении 1. Определить реальное напряжение в момент опыта U_2о с помощью поправочного коэффициента. Фиксировать вид разряда, наблюдаемый в процессе опыта.

 

Таблица 1.2

Расстояние между электродами, а, см	Вид разряда	Напряжение в условиях опыта	Напряжение, приведенное к нормальным условиям
		U1, В эфф.	U2о, кВ макс.	U2т, кВ макс.
		® +	® -	® +	® -	® +	® -

 

 

3. Определить напряжение появления короны и полного пробоя в резко неоднородном поле.

Для этого подключить к выходу схемы промежуток игла-плоскость. Изменять величину воздушного промежутка (а =2, 4, 6, 8 см.) при разных полярностях. Данные занести в табл. 1.3. Использовать для определения вторичного напряжения градуировочную кривую. Отметить и объяснить изменение напряжения появления коронного разряда и дуги при разных полярностях.

 

 

Таблица 1.3

 

Расстояние между электродами, а, см	Вид разряда	Напряжение в условиях опыта	Напряжение, приведенное к нормальным условиям
		U1, В эфф.	U2о, кВ макс.	U2т, кВ макс.
		® +	® -	® +	® -	® +	® -
	Корона
	Дуга или искра

 

3. Определить влияние барьера на напряжение полного пробоя между иглой и плоскостью.

Для этого установить между иглой и плоскостью расстояние а = 8 см. Установить барьер из листа бумаги, следя за тем, чтобы он был хорошо натянут и закреплен. Положение барьера относительно иглы а ₂ устанавливать на 1, 2 и 4 см. Опыт провести при разных полярностях иглы. Показания занести в табл.1.4.

 

Таблица 1.4

 

Расстояние от барьера до иглы, а2, см	Напряжение пробоя в условиях опыта	Напряжение, приведенное к нормальным условиям
	U1, В эфф	U2о, кВ макс	U2т, кВ макс
	® +	® -	® +	® -	® +	® -

 

 

Отчет по работе должен содержать схемы испытания, таблицы с результатами опытов, графики напряжения пробоя U_пр. = f (a) для однородного поля и двух полярностей резко неоднородного поля, и напряжения появления короны U_к = f (a). В выводе к работе пояснить, как исследуемые факторы влияют на пробивное напряжение газов.

 

Контрольные вопросы

 

1. Определение процесса ионизации газа.

2. Ионизация объемная и поверхностная.

3. Виды разрядов в газе.

4. Понятие резко неравномерного поля, график распределения напряженности в таком поле.

5. Электрическая прочность - одна из основных характеристик изоляции, ее смысл, единицы измерения.

6. Дать определение эффекта полярности. Подробно ионизационные процессы должны быть рассмотрены на коллоквиуме.

7. Назначение барьера в газовом промежутке. Влияние барьера на электрическую прочность промежутка при различных полярностях электродов.

8. Электрическая схема измерения, назначение всех ее элементов (на вторичной стороне трансформатора).

 

Литература: [1 ], [ 2 ], [ 4 ].

 

Работа 2