Пробой газов в однородном электрическом поле

Пробой газов в однородном поле возникает между электродами с закругленными краями, а также между двумя сферами при условии, что расстояние между ними приблизительно равно диаметру сферы.

1.

2.

Рисунок 20

Во втором случае пробой происходит практически мгновенно.

Пробой сопровождается появлением электрической искры, которая затем может перейти в электрическую дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. При зажигании дуги падение напряжения в ее стволе достигает десятков вольт, а сила тока – сотен килоампер.

В технике высоких напряжений при известных размерах шаровых разрядников и заданном расстоянии между ними при первом появлении искры между ними точно измеряют напряжение, приложенное к этим шаровым разрядникам. Причем, чем меньше расстояние между шаровыми разрядниками, тем труднее достигается пробой между ними.

Приведем зависимость электрической прочности от давления для газов в однородном электрическом поле и поясним ее.

Рисунок 21

I участокзависимости Е=f(p) соответствует глубокому вакууму, когда разрежение в газоразрядном промежутке достигает очень высоких степеней и не наблюдается столкновения заряженных частиц с молекулами.На II участкепри увеличении давления электрическая прочность снижается, что обусловлено отдельными столкновениями заряженных частиц с нейтральными молекулами.На III участкеграфика при увеличении давления плотность газа также увеличивается и для того, чтобы наступил его пробой, потребуется увеличение напряженности электрического поля.

Пробой газов в неоднородном электрическом поле

Существует четыре вида пробоя газов в неоднородном поле:

1. Пробой между двумя остриями.

2. Пробой между острием и плоскостью.

3. Пробой между двумя сферами при условии, что диаметр сферы Dсущественно меньше расстояния между нимиh.

.

4. Пробой между проводами воздушных линий электропередач. Такой вид пробоя характеризуется появлением короны в тех местах, где напряженность поля превзойдет критическое значение. В последствии при возрастании напряжения корона переходит в искровой или дуговой разряд.

Если между электродами находятся твердые и газообразные диэлектрики, то за счет поверхностного перекрытия(разряда в воздухе у поверхности твердого диэлектрика) пробой происходит при меньших значениях напряжения по сравнению со случаем, когда между этими электродами находится только газообразный диэлектрик.

На величину пробивного напряжения в неоднородном поле влияет конфигурация электродов и диэлектрика, состояние поверхности диэлектрика, форма электрического поля между электродами, частота поля, а также давление воздуха.

Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах.

Пробой жидких диэлектриков

Для жидких диэлектриков применимы три теории пробоя: электрическая, газовая и тепловая.

Электрическая теория

Чисто электрический пробой характеризует неполярные жидкие диэлектрики максимально очищенные от примесей. В таких жидкостях под действием электрического поля происходит вырывание электронов с поверхности катода и перемещение их к противоположно заряженному аноду. В связи с тем, что плотность жидкости больше, чем плотность газа, средняя длина свободного пробега электрона в жидком диэлектрике будет меньше, чем в газообразном. Поэтому пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких напряжениях, чем пробой газообразных диэлектриков.

Большинство жидкостей содержат в себе примеси. Примеси могут находиться в различных состояниях (пузырьки газа, капельки воды, твердые частицы).

Газовая теория

Практически все жидкие диэлектрики содержат в себе примеси в виде пузырьков газа. При действии на такие жидкости электрического поля в газовых пузырьках с точки зрения газовой теории пробоя происходит ударная ионизация, в результате чего газовые пузырьки деформируются, приобретая вид вытянутых эллипсоидов, притягиваются друг к другу разноименно заряженными концами и образуют проводящий мостик между электродами, по которому и происходит пробой.

Тепловая теория

Согласно тепловой теории пробоя жидких диэлектриков, разработанной академиком Н.Н. Семеновым, в местах сосредоточения примесей происходит искажение формы электрического поля, в результате чего в этих местах происходит интенсивный разогрев жидкого диэлектрика, связанный с повышенной мощностью диэлектрических потерь. Это приводит к вскипанию жидкости с образованием многочисленных газовых пузырьков, которые в последствии деформируются и образуют проводящие цепочки между электродами, по которым в последствии и проходит пробой.

Приведем зависимости электрической прочности Е_пржидкого диэлектрика (трансформаторного масла) от содержания воды в нем и температуры (для сухого и увлажненного трансформаторного масла) и поясним их.

Рисунок 22 – Зависимость Е_пр от содержания воды в жидком диэлектрике (трансформаторное масло). Испытание проведено в стандартном разряднике (h=2,5 мм)

Рисунок 23 – Зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика (трансформаторного масла) от температуры

1 – подсушенное трансформаторное масло, 2 – увлажненное трансформаторное масло

Вода в виде отдельных мелких капелек, находящихся в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает Е_пр (рис. 22). Под влиянием электрического поля сферические капельки воды — сильно дипольной жидкости — поляризуются, приобретают форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Для подсушенного масла (кривая 1 на рис. 23) электрическая прочность практически не зависит от температуры до значения +80 ⁰С. Если температура превышает +80⁰С, то электрическая прочность подсушенного масла несколько снижается за счет испарения легких летучих фракций масла и интенсивного образования пузырьков газа в трансформаторном масле.

Для увлажненного масла (кривая 2 на рис. 23) при отрицательных температурах наблюдается возрастание электрической прочности, что связано с замерзанием воды, находящейся в масле. В интервале температур от 0 ⁰С до +60⁰С также наблюдается рост электрической прочности, что связано с переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора и с частичным испарением воды. Если температура будет выше +80⁰С, то, как и для подсушенного масла, наблюдается снижение электрической прочности по тем же причинам.