Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Королев Ю.Д. и др. Физика диэлектриков.pdf
Скачиваний:
691
Добавлен:
29.05.2015
Размер:
2.56 Mб
Скачать

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

5.6.Зависимость пробивного напряжения газа от межэлектродного расстояния

Пробивное напряжение газа зависит от степени неоднородности электрического поля. Однородное электрическое поле в пределах межэлектродного пространства обусловливают плоские электроды, загнутые на краях по определенному профилю. Если электроды строго параллельны друг другу, то пробивное напряжение Uпр повторяется от

пробоя к пробою с точностью до десятых долей процента. При этом для воздуха зависимость Uпр от межэлектродного расстояния d выра-

жается эмпирической формулой:

 

U np = 24.55dδ + 6.6 dδ , кВ,

(5.6)

где δ – относительная плотность воздуха, d – в см.

 

Соответственно, электрическая прочность воздуха

 

Епр = 24.55δ +6.6 δ d , кВ/см

(5.7)

возрастает с уменьшением d , что характерно для механизма пробоя, вследствие ударной ионизации. Если взять условие самостоятельного

разряда γ (eαd 1)=1 и эмпирическое условие зарождения стримера

αd = 20 , то видно, что с уменьшением d должны возрастать α и соответственно Е. Физическая сущность этой закономерности, названной электрическим упрочением, заключается в том, что для пробоя необходима электронная лавина определенных размеров для таунсендовского механизма с учетом коэффициента γ .

В табл. 5.1 приведены экспериментально полученные значения электрической прочности воздуха (Р=760 мм рт.ст. и t =20 °С).

Таблица 5.1

d, см

0,01

0,03

0,1

1

4

10

 

 

 

 

 

 

 

Enp , кВ/см

95

80

45

32

30

27

Для технических расчетов при d в несколько сантиметров электрическая прочность воздуха принимается равной 30 кВ/см. Слабонеоднородное электрическое поле обусловливается коаксиальными и параллельными цилиндрическими электродами, шаровыми электродами и их комбинациями, когда межэлектродное расстояние существенно не превышает диаметра электродов. При этом Unp также пропорционально

δ . С уменьшением d при неизменном диаметре электродов D электрическое поле становится более однородным и напряженность поля при пробое в различных точках межэлектродного промежутка все бо-

84

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

лее приближается к средней напряженности поля Е =Uпр d . Соответ-

ственно, уменьшается разброс пробивных напряжений от пробоя к пробою.

В практике лабораторных испытаний пробой между шаровыми электродами используется для измерения высокого напряжения. При dD 0.5 разброс пробивных напряжений, определяющий точность

измерения, не превышает 3 %. Использование плоских электродов позволило бы повысить точность измерения, но необходимость установления строгой параллельности электродов сильно затрудняет измерения и значительно увеличивает время их проведения. Поэтому пробой между плоскими электродами для целей измерения практически не используется.

Сильно неоднородное электрическое поле обусловливается электродами, когда радиус закругления обоих или одного из них значительно меньше межэлектродного расстояния. Типичными представителями таких электродов являются электроды: два острия и острие– плоскость. Как было показано выше, ионизационные процессы сосредоточены около электрода-острия. В случае электродов острие– плоскость положительный объемный заряд, образующийся в результате ударной ионизации, обусловливает более высокое напряжение пробоя при отрицательной полярности электрода-острия. Для воздуха при расстоянии в несколько сантиметров средние разрядные градиенты составляют 20 и 7.5 кВ/см, соответственно, для отрицательной и положительной полярности электрода-острия. При больших межэлектродных расстояниях (длинная искра) зависимость пробивного напряжения от полярности электрода-острия (эффект полярности) сохраняется, но получается менее выраженной с возрастанием d . Так, при пробое на импульсах микросекундной длительности и при d > 40 см зависимости U np = f ( d ) выражаются эмпирическими формулами: U np = 215 + 6.7d

и Unp = 40 + 5d , кВ, соответственно, для отрицательной и положитель-

ной полярности электрода-острия (здесь d выражено в см).

В случае сильно неоднородного электрического поля влияние изменения атмосферного давления и температуры учитывается также с помощью коэффициента δ . Однако, при пробое в сильно неоднородном поле существенно влияет влажность воздуха. Это связано с тем, что пары воды очень сильно захватывают медленные электроны, которые имеются в области слабого электрического поля. В случае плоских электродов электрическое поле является сильным во всем межэлектродном пространстве, поэтому электроны после ионизации быстро ускоряются, и их захват становится незначительным. Поэтому при

85

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

пробое в однородном электрическом поле влияние влажности незначительно.

В сильно неоднородном электрическом поле влияние влажности зависит от конфигурации электрического поля и скорости протекания разрядных процессов. На рис. 5.10 представлены зависимости коэффициента k от влажности воздуха. Влажность и атмосферные условия учитываются следующим образом:

Uпр =Uо δ ,

(5.8)

k

 

где Uо пробивное напряжение при так называемых нормальных ус-

ловиях (Р = 760 мм рт.ст., Т = 20 °С и влажности ω =11 г/м3).

Из рис.

5.10 видно, что зависимость k = f (ω ) сильнее на переменном напря-

Рис. 5.10. Графики для определения поправки на влажность воздуха:

А – опорные изоляторы, 50 Гц; В – стержневые промежутки, 50 Гц; С – стержневые промежутки, импульс положительной полярности длительностью 40 мкс; D – стержневые промежутки, импульс отрицательной полярности длительностью 40 мкс; F – стержневые промежутки, импульс положительной полярности длительностью 5мкс

жении, чем на импульсном. На переменном

напряжении промышленной частоты, когда практически происходит статический пробой, разрядные процессы протекают медленнее, чем на импульсном напряжении, и поэтому большое число электронов захватывается и не участвует в разрядных процессах. С увеличением степени

неоднородности электрического поля увеличивается разница между максимальной напряженностью поля, имеющей место вблизи электрода с большой кривизной, и на головке развивающегося стримера или лидера, и напряженностью поля в более удаленных областях межэлектродного промежутка, и поэтому захват электронов становится более существенным, а зависимость k = f (ω ) более сильной.

86

Рис. 5.11. Качественная зависимость пробивного напряжения воздуха для электродов острие–плоскость от положения барьера

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

Пробивное напряжение в сильно неоднородном электрическом поле может существенно измениться, если между электродами установить тонкий лист твердого диэлектрика, получившего название барьера. На рис. 5.11 представлены зависимости пробивного напряжения для промежутков острие–плоскость с барьером от отношения расстояния между острием и барьером к межэлектродному расстоянию. Влияние барьера особенно значительно при положительной полярности элек- трода-острия и объясняется следующим образом. Положительные ионы, образующиеся вблизи острия в результате ударной ионизации, движутся от острия и оседают на барьер. При этом электрическое поле в промежутке острие – барьер падает, а поле между барьером и плоским электродом становится близким к однородному, т.к. на барьере заряды оседают более или менее равномерно. Пробой происходит в два

этапа: вначале между плоским электродом и барьером, после чего заряд на барьере значительно уменьшается, а затем между местом пробоя барьера и электродом-острием.

Следовательно, пробивное напряжение в основном определяется электрической прочностью, промежутка барьер–плоскость, и поэтому легко понять уменьшение Unp

с увеличением d d . При малых d d

плотность заряда в центре барьера значительно отличается от однородного, и выравнивающее действие барьера падает.

При отрицательной полярности электрода-острия механизм действия барьера аналогичен, но при этом надо учитывать следующие обстоятельства. Во-первых, при отрицательной полярности электрода-острия разрядные процессы более локализованы, и поэтому оседающий на барьер заряд располагается по его поверхности более неравномерно, чём при положительной полярности электрода-острия. Во-вторых, при отрицательной полярности электро- да-острия вследствие специфического действия положительного заряда пробивное напряжение только примерно в полтора раза ниже, чем в однородном поле, и барьер не способен его значительно повысить.

Представляет существенный интерес вопрос об электрической прочности различных газов. Наиболее низкой электрической прочностью обладают инертные газы, что связано с большой длиной свобод-

87

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

ного пробега электронов в этих газах. Интересная закономерность была получена при изучении пробоя неона, аргона и их смеси. При пробое в однородном поле при Рδ =100 мм рт.ст. см получены следующие значения пробивных напряжений: для чистого аргона 1700 В, для чистого неона 800 В, для смесей Ne+0.0005 % Ar – 400 B, Ne+0.002 %

Ar – 280 B, Ne+0.1 % Ar – 200 B. Из простых молекулярных газов самой низкой электрической прочностью обладает водород, в котором вследствие малых размеров молекул длина свободного пробега электрона сравнительно велика. Более высокую электрическую прочность имеют азот, кислород, воздух. Еще более высокой электрической прочностью обладают галогены, вследствие высокой способности к захвату электронов. Электрическая прочность некоторых галоидопроизводных газов в несколько раз превосходит электрическую прочность воздуха. Такая высокая электрическая прочность газов обусловлена рядом факторов: высокой способностью к захвату электронов, малой длиной свободного пробега электронов вследствие больших размеров молекул, склонностью к диссоциации, вследствие чего при ударе электрона часть энергии затрачивается на распад молекулы.

Большинство этих газов, однако, не нашло практического применения по таким причинам, как ядовитость, склонность к образованию ядовитых веществ при действии электрической искры, высокая температура кипения, вследствие чего при комнатной температуре они представляют собой жидкости. Наиболее широкое применение из числа этих газов нашли два: фреон (CCl2F2) и элегаз (SF6). В заключение в табл. 5.2 приводятся значения относительной электрической прочности Eотн ряда газов.

Таблица 5.2

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

Н

F

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

6

3

3

I

2

 

Газ

2

2

2

СО

2

4

2

6

2

2

N

СО

Н

N

CH

Cl

CCl

SF

SeF

ССl

CCl

С

SOF

SO

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е

1

0.88

0.5

1.02

1.14

1.0

1.55

2.8

2.3–2.5

4.5

4.3

3–4.4

3.0

2.5

1.9–2.3

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

88