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

ЭлектриЧеские разряды в газах при переменном напрЯжении

Цель работы - выявить особенности пробоя воздуха, появления короны на электродах игла - плоскость, влияние барьера, расположенного между иглой и плоскостью при переменном напряжении промышленной частоты, и сравнить полученные данные с результатами опытов, проведенных при постоянном напряжении.

В промежутке игла - плоскость при подключении переменного напряжения около иглы возникает положительный объемный заряд, который перераспределяет электрическое поле. При напряжении промышленной частоты уже происходит запаздывание образования и исчезновения объемного заряда относительно изменяющегося напряжения. За счет этого меняется и величина напряжения полного пробоя по сравнению с пробоем при постоянном напряжении. Величина пробивного напряжения промежутка зависит от условий образования объемного заряда, степени неравномерности поля, расстояния между электродами. Эффект полярности при переменном напряжении проявляется в том, что пробой в неравномерном поле происходит в момент, когда электрод с меньшим радиусом закругления оказывается положительным. Если амплитудное значение переменного напряжения незначительно превосходит пробивное напряжение, то воздушный промежуток ведет себя как выпрямитель, пропуская ток в одном направлении. Это явление можно наблюдать с помощью осциллографа, подключенного параллельно пробиваемому промежутку через делитель. Барьер, поставленный около иглы, будет упрочнять промежуток. При увеличении частоты переменного напряжения (свыше 1 МГц) электрическая прочность промежутка значительно снижается.

Разрядное напряжение при высокой частоте

В последнее время в связи с развитием техники высоких и сверхвысоких частот, требующей зачастую применение высоких напряжений, усилился интерес к прочности газовой изоляции при частотах, сильно отличающихся от промышленной. Измерение разрядных напряжений в широком диапазоне частот показывают, что имеется пять диапазонов частот, в которых зависимость разрядного напряжения от частоты имеет различный характер и определяется различными физическими процессами (рис. 2.1).

При изменении частоты от 0 до f_кp разрядное напряжение практически не зависит от частоты.

Рис 2.1 Характер зависимости разрядного напряжения от частоты

При частоте f > f_Kp разрядное напряжение с ростом частоты снижается, что связано с влиянием объемных зарядов. Как неоднократно указывалось, ионизация в промежутке происходит ещё до возникновения пробоя. При небольшой частоте ионы, возникшие в один полупериод, в течение этого же полупериода успевают дойти до электродов, и в последующий полупериод процесс начинается при отсутствии объемного заряда. Но при возрастании частоты до f_Kp часть ионов не успевает дойти до электродов, причем это в большинстве случаев положительные ионы, так как скорость электронов значительно больше, а число отрицательных ионов меньше числа положительных (так как не все электроны присоединяются к молекулам газа). Количество оставшихся в промежутке ионов от полупериода к полупериоду возрастает, создается довольно значительный объемный заряд, который приводит к снижению разрядного напряжения. Критическая частота f_Kp зависит от давления газа и расстояния между электродами. Например, в воздушном промежутке с однородным полем при нормальных атмосферных условиях и s — 0,09 см критическая частота равна 1000 кГц., при s = 0,45 см она уменьшается до 110 кГц, а при s = 2,5 см — до 20 кГц., т.е. изменяется приблизительно обратно пропорционально расстоянию. При увеличении давления критическая частота должна уменьшаться. В резко неоднородных полях, где образование объемных зарядов происходит гораздо более интенсивно, критическая частота обычно меньше и разрядное напряжение снижается более значительно. В качестве иллюстрации на рис. 3 приведена зависимость разрядного напряжения от расстояния для промежутков между пластинами и двумя иглами при частотах 50 Гц и 500 кГц.

Рис. 2.2. Влияние частоты на разрядное напряжение в однородном (1, 2) и резко неоднородном (3, 4) поле при нормальных атмосферных условиях.

Сплошные линии - частота 50 Гц, пунктир - частота 500 кГц.

Как видно из кривых для двух частот от f_Kp до f₁ дальнейшее увеличение частоты почти не приводит к снижению разрядного напряжения, что, по-видимому, связано с тем, что объемный заряд в промежутке перестает возрастать вследствие наступающего равновесия между скоростью образования ионов и диффузией объемного заряда на электроды.

Однако при частоте f₂ возможно новое снижение разрядного напряжения. При этой частоте длительность полупериода напряжения оказывается меньше времени пробега электронами межэлектродного промежутка. Поэтому часть электронов не успевает уходить на электроды, а, оставаясь в промежутке, продолжает участвовать в осуществлении ионизации, благодаря чему напряжение, естественно, снижается.

Наконец, при очень больших частотах f > f₃ начинается возрастание разрядного напряжения, которое может значительно превысить разрядное напряжение при промышленной частоте. При таких частотах длительность полупериода напряжения уменьшается настолько, что некоторые электроны за это время не успевают осуществить ни одного акта ионизации. Для того чтобы ионизация все же началась, необходимо увеличить приложенное напряжение, благодаря чему время пробега электрона между двумя последовательными ионизирующими столкновениями уменьшится.

Зависимость частоты разрядного напряжения в воздухе при разных расстояниях между электродами однородного поля (рис. 2.3), показывает, что для расстояния s =2 – 10 мм частота, соответствующая минимуму разрядного напряжения, имеет порядок 1 – 10 Мгц.

Рис. 2.3 Зависимость разрядного напряжения в воздухе от частоты при различных расстояниях между плоскими электродами.