Лабораторная работа №6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВОЗДУХА ОТ ДАВЛЕНИЯ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ (ЗАКОН ПАШЕНА)

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Общие сведения о пробое газов

Газообразные диэлектрики, основным из которых является воздух, находят широкое применение не только в качестве основной изоляции в линиях электропередачи, но и в различных электроизоляционных конструкциях (газонаполненные кабели, конденсаторы и т.д.). Очень часто воздух или другие газы, независимо от нашего желания, присутствуют в тех или иных электроизоляционных конструкциях, выступая в качестве дополнительной изоляции или даже вредного (нежелательного) ее элемента. К таким примерам можно отнести наличие газа в порах керамики, присутствие воздуха в виде воздушных включений в твердой изоляции или в виде пузырьков в жидком диэлектрике.

Обладая меньшей электрической прочностью по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками, газ (воздух), содержащийся во включениях может быть пробит. Как правило, это приводит к развитию нежелательных ионизационных процессов в изоляции, преждевременному ее электрическому старению под действием частичных разрядов и, как следствие, снижению надежности самой конструкции.

Всвязи с этим, изучение основных закономерностей пробоя газов, зависимости их электрической прочности от давления, температуры окружающей среды, вида и частоты приложенного напряжения представляет большой практический интерес.

Необходимым условием пробоя газообразного диэлектрика под действием приложенного электрического поля является наличие ударной ионизации электронами или ионами [1].

Влюбом газообразном диэлектрике в обычных условиях всегда имеется некоторое количество свободных электронов и ионов, которые образуются под действием внешних ионизаторов (воздействие света, радиации, космических лучей, температуры и др.).

Для того, чтобы такой электрон или ион при столкновении с

72

Лабораторная работа №6

атомом газа мог вызвать его ионизацию ударом необходимо, чтобы приобретенная ими энергия при движении в электрическом поле была, по крайней мере, равна энергии ионизации атома или молекулы, т.е.

q а Ea ≥Wi ,

где q - заряд электрона или иона;

Е- напряженность приложенного электрического поля;

а- длина свободного пробега электрона или иона, достаточная для накопления энергии на ионизацию;

Wi - энергия ионизации атома или молекулы.

Из данного выражения следует, что минимальная длина свободного пробега электрона между двумя ионизационными соударениями равна

a = WqEi

Из кинетической теории газов известно, что вероятность прохождения частицей пути - а, отличающегося от средней длины

свободного пробега - λ, равна		e	−а	λ .
Из этого следует,	что	вероятность				осуществления ударной
	e −	W i
ионизации будет равна		q λ E			, т.е.	чем больше будет длина

свободного пробега электрона - λ, тем больше он накопит энергии при движении в электрическом поле, тем больше будет вероятность ионизации им атома или молекулы.

Увеличение длины свободного пробега - λ может являться следствием уменьшения давления (плотности) газа, т.е. уменьшения концентрации частиц газа в единице объема. Это, в свою очередь, уменьшает число возможных соударений, производимых электроном с атомами или молекулами газа, и, тем самым, затрудняет развитие ударной ионизации. Поэтому в области малых давлений пробивное напряжение газов выше.

Обычно влияние этих факторов оценивается величиной коэффициента ударной ионизации электронами - α, который можно найти как произведение числа соударений, производимых электроном на пути в 1 см, на вероятность ударной ионизации, т.е.

1− Wi

α= λ e qλE

Приведенное выражение для коэффициента ударной ионизации

(1)

(2)

(3)

73

Лабораторная работа №6

электронами можно использовать для объяснения зависимости электрической прочности газа от давления, температуры и расстояния между электродами.

В однородном электрическом поле зависимость пробивного напряжения газа от давления и расстояния между электродами описывается эмпирическим законом Пашена, который гласит, что «начальное пробивное напряжение газа» зависит только от произведения давления - Р на межэлектродное расстояние - δ. Если изменять одновременно давление газа и расстояние между электродами так, чтобы их произведение оставалось постоянным, то не изменится и величина начального пробивного напряжения, т.е.

Uпр = const, если Р δ = const.

Если изменять только давление газа, оставляя постоянным расстояние между электродами δ = const, то зависимость пробивного напряжения газа от давления будет иметь такой же вид (см. рис.1), как и зависимость U пр = f ( P δ ).

В области малых давлений (рис.1) вероятность соударений настолько мала, что развитие ударной ионизации затруднено, хотя длина свободного пробега λ большая и достаточна для накопления электроном энергии необходимой для ионизации. Это обуславливает достаточно высокое значение пробивного напряжения.

С увеличением давления, т.е. при увеличении плотности газа вероятность соударений электрона с атомами газа возрастает, что облегчает развитие ударной ионизации и приводит к уменьшению пробивного напряжения (участок I). Это соответствует возрастанию коэффициента ударной ионизации электронами - α согласно уравнению 3.

При некотором значении давления - Р1 условия развития ударной ионизации в газе наиболее благоприятные и наблюдается

наименьшее значение пробивного напряжения - U прмин ,			что
соответствует максимальному значению - α при условии	Wi	qλE	=1.

Для воздуха это минимальное значение равно 327В, для водорода 280В, для углекислого газа 420В. Для инертных газов U прмин может иметь еще более низкое значение.

При дальнейшем увеличении давления (участок II) происходит заметное уменьшение длины свободного пробега, что затрудняет накопление электроном энергии и уменьшает вероятность ударной ионизации. За счет этого, пробивное напряжение газа возрастает. Значительное возрастание пробивного напряжения газа, наблюдаемое на участке II в области повышенных давлений, широко

74

Лабораторная работа №6

используется на практике для повышения уровня рабочих напряжений таких электроизоляционных конструкций, как газонаполненные кабели и конденсаторы (с давлением газа порядка

10÷15 атм).

В области больших давлений (участок III) происходит замедление роста пробивного напряжения, что является следствием накопления в разрядном промежутке объемного заряда. Действительно, при больших давлениях, когда длина свободного пробега электронов резко уменьшается и становится сопоставимой или меньше расстояния между электродами, ионы и электроны, образуемые в результате ударной ионизации, не успевают покинуть разрядный промежуток, накапливаются в межэлектродном пространстве и образуют объемный заряд, который искажает электрическое поле. За счет этого средняя напряженность электрического поля, действующая в разрядном промежутке, возрастает и, тем самым, способствует развитию ударной ионизации и замедляет рост пробивного напряжения.

Если оставлять постоянным давление, а изменять расстояние между электродами, то зависимость U пр = f (δ) будет иметь вид,

показанный на рис.2.

На третьем участке при уменьшении расстояния между электродами до δ = 1 10-4 см пробивное напряжение снижается до очень малых значений, близких к U прмин .

Можно сказать, что в данном случае, как и в зависимости

Рис.2. Зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами при постоянном давлении

U пр = f ( Р) при δ = const, создаются наиболее благоприятные

условия для развития ударной ионизации. Это, по-видимому, связано с тем, что расстояние между электродами оказывается соизмеримым с длиной свободного пробега электронов. В этом случае электроны, двигаясь в электрическом поле и, достигнув электрода, меняют свое направление движения одновременно при

75

Лабораторная работа №6

изменении полярности приложенного напряжения. За счет этого они быстрее накапливают энергию, необходимую для развития ударной ионизации.

При дальнейшем уменьшении расстояния между электродами до значений δ = 1 10-5 см условия развития ударной ионизации практически не меняются, и пробивное напряжение также остается практически постоянным. При расстояниях между электродами меньших, чем δ = 1 10-5 см пробивное напряжение вновь начинает падать. Это связано с тем, что при столь малых расстояниях пробой газа уже обусловлен не ударной ионизацией, а другими процессами, связанными, например, с вырыванием электронов из катода возросшими силами электрического поля.

Следует отметить, что согласно современным представлениям о пробое газов, развитие ударной ионизации и образование электронной лавины еще не является достаточным условием для образования канала пробоя, т.к. не обеспечивает для этого необходимой плотности тока. Для создания необходимой плотности тока необходимо развитие дополнительных процессов, к которым относятся фотоионизация газа, выбивание электронов с катода положительными ионами, фотоэффект на катоде, автоэлектронная эмиссия и др.

Согласно теории Таунсенда [1], условием пробоя газа в однородном электрическом поле является условие возникновения самостоятельного разряда, когда количество вторичных электронов, образуемых при ударной ионизации, превышает число первичных электронов. В работах Лёба, Мика, Ретера показано, что пробой газов связан с образованием стримера, как результата интенсивной фотоионизации, сопровождающей развитие электронной лавины. Действительно, электроны, получая энергию в электрическом поле, вызывают не только ударную ионизацию, но и возбуждение атомов и молекул газа.

Общее число возбужденных атомов во много раз превосходит число ионизованных атомов. Излучение фотонов этими возбужденными атомами приводит к появлению новых очагов ионизации газа и, тем самым, обуславливает увеличение общего количества зарядов и, соответственно, плотности тока.

Развитие стримера не приводит к существенному увеличению времени пробоя, т.к. происходит практически мгновенно со скоростью распространения фотонов, излучаемых возбужденными атомами. Наличие таких стримеров может наблюдаться при фотографировании процесса пробоя в камерах Вильсона.

Несмотря на то, что процесс пробоя газов изучен достаточно, а

76