Лабораторная работа № 1 Разряды в воздухе при переменном напряжении промышленной частоты.

1.1. Цель работы:

Исследовать зависимость напряжения в воздухе от формы электродов и расстояния между ними при переменном напряжении промышленной частоты. Освоить методику приведения результатов измерений к стандартным атмосферным условиям.

1.2. Программа работы

Ознакомиться с испытательной установкой и правилами безопасной работы..

Задание 1. Экспериментально определить начальные и пробивные напряжения воздушных промежутков для электродов «плоскость – плоскость», «кольцо – кольцо», «игла – игла» на переменном напряжении при изменении S от 1 до 4 см.

Задание 2. Освоить методику приведения результатов измерений к стандартным атмосферным условиям.

Задание 3. По экспериментальным данным построить графики зависимости U= f (S).

Задание 4. Рассчитать зависимости U_p= f (S) по эмпирическим формулам и сопоставить результаты расчетов с данными измерений, нанести на графики опытных данных расчетную зависимость для электродов “плоскость – плоскость”, “кольцо – кольцо”, “игла – игла”. Объяснить причинные расхождения.

1.3. Теоретические сведения

Высоковольтная аппаратура работает на открытом воздухе при атмосферных условия, где в качестве изолирующей среды используется воздух. Изоляционные высоковольтные конструкции работают, как правило, в сложных по конфигурации электрических полях, Для более надежной эксплуатации изоляционных конструкций необходимо уметь смоделировать, рассчитать эти поля с тем, чтобы правильно сконструировать изоляцию.

Величина разрядного напряжения зависит от целого ряда факторов: формы электродов, расстояния между ними, вида приложенного напряжения (переменное, постоянное, импульсивное), условий проведения опыта (давление, температура, влажность) от химического состояния газа и ряда других факторов.

Если один или оба электрода имеют малые радиусы кривизны, или межэлектродные расстояния велики по сравнению с радиусом кривизны электродов (неравномерное электрическое поле), то пробою предшествует возникновение "коронного разряда" или просто "короны", сопровождающейся характерным свечением, потрескиванием и запахом образующегося озона. Наличие короны не означает потерю электрической прочности промежутка. Интенсивная ионизация при коронировании обуславливает потерю энергии. При увеличении напряжения выше "начального" область коронного разряда расширяется, и происходит полный пробой промежутка. В равномерном электрическом поле явление короны не наблюдается. Поэтому важно классифицировать электрические поля по степени неоднородности.

Классификация электрических полей.

Электрические поля можно разделить на однородные (равномерные) и неоднородные (неравномерные).

Однородные поля обладают тем свойством, что вдоль силовых линий поля вектор Е сохраняет своё значение (Е = const), а сами силовые линии параллельны друг другу. Пример: поле плоского конденсатора с закруглёнными краями и бесконечной протяженными пластинами (электроды Роговского).

Неоднородными полями являются поля, у которых вектор напряженности вдоль силовых линий поля изменяется (Е = var), а сами силовые линии, как правило, непараллельные.

Количественной мерой степени неоднородности электрического поля служит коэффициент неоднородности:

(1.1)

где Е _тах, Е _ср - максимальная и средняя напряженности электрического промежутка соответственно. Для однородного поля Е_ср = U/S, где S - межэлектродный промежуток. Коэффициент неравномерности определяет толщину изоляции, т. к. максимальная напряженность поля по толщине изоляции должна удовлетворять условию ……………………… . .(1.2)

тогда для изоляции толщиной d, равной межэлектродному промежутку S

можно записать:

…………… ………..(1.3)

При К_н < 2 поле считается слабо неоднородным, а при К_н > 3 – резко неоднородным..

По степени симметрии электрические поля делятся на симметричные и несимметричные.

К симметричным относятся поля между электродами одинаковой формы и размеров (рис. 1.1. а, б, в) симметричные поля могут быть как однородными (а), так и неоднородными (б, в).

К несимметричным относят поля между электродами различной формы и размеров (рис. 1.2 а, б, в), а также, поля у которых один электрод заземлен (рис. 1.2 г, д).

Чем меньше отличаются радиусы кривизны электродов, тем выше степень

симметрии поля. По рекомендации международной электротехнической комиссии (МЭК) промежутки "плоскость - плоскость", "остриё - остриё", "остриё -плоскость" и "шар - шар" считаются типовыми. Они охватывают большинство известных случаев работы электроизоляционных материалов в реальных конструкциях.

Плоскопараллельными называют поля, форма которых одинакова в параллельных плоскостях. Через каждую точку такой плоскости можно провести прямую, вдоль которой потенциал будет сохранять постоянное значение, т. е. φ = f(x,y). К таким полям относятся: поле плоского конденсатора, кабеля, проводов ЛЭП при пренебрежении провесом проводов. Плоскопараллельными могут быть как однородные, так и неоднородные поля.

Плоскомеридианными называются поля, в которых могут провести ряд секущихся поверхностей, пересекающихся по одной линии (оси), в которых конфигурация электрического поля остаётся неизменной (поле подвесного изолятора, поле шарового разрядника). Плоскомеридианное поле имеет форму тел вращения, оно всегда неоднородно и встречается наиболее часто. В цилиндрических координатах это поле может быть описано функцией, зависящей от двух координат, т. е. φ = f(p,z).

Основные формы самостоятельного разряда в однородном поле. Лавина электронов.

Основной причиной возникновения электрического разряда в газе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах, в которых невозможно образование отрицательных ионов, интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом ударной ионизации а, который определяет число актов ионизации, совершаемых электроном на пути в 1 см. вдоль силовых линий электрического поля, и является величиной, обратной пути, проходимому электроном вдоль силовых линий до ионизации.

В электроотрицательных газах помимо увеличения числа электронов при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет их "прилипания" к нейтральным частицам с образованием отрицательных ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания ц, который определяет долю прилипших к нейтральным частицам электронов на пути 1 см. вдоль силовых линий электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации а_эф = а - η|.

Коэффициент а_эф (принято обозначать а) зависит от напряженности электрического поля Е и плотности газа δ , причем в общем виде эта зависимость может быть пред­ставлена в виде

(1.4)

где δ - относительная плотность воздуха, поэтому в неоднородном поле интенсивность ударной ионизации в различных точках промежутка неодинакова.

Для развития разряда в газе необходим хотя бы один свободный электрон. После первого акта ионизации образуются два свободных электрона, затем четыре и т.д. Этот поток постепенно увеличивающегося числа электронов называется лавиной электронов.

Рис.1.1 Электродные промежутки, образующие симметричные поля: а). "плоскость - плоскость"; б) "шар - шар"; в) "остриё - остриё".

Рис. 1.2 Электродные промежутки, образующие несимметричные поля: а) "остриё - плоскость"; б) "шар - плоскость"; в) "шар - шар" с разными диаметрами; г) "шар - шар заземленный"; д) "остриё - остриё заземленное".

Поскольку количество электронов на пути развития лавины резко неравномерно, то и распределение образующихся объемных зарядов в лавине также должно быть резко неравномерно. При достаточно большом пробеге лавины объемные заряды оказывают существенное влияние на характер электрического поля в промежутке искажая его. На рисунке 1.3.a показана начальная лавина, распространяющаяся от катода в однородном поле между плоскими электродами. Распределение положительного и отрицательного объемных зарядов и продольные составляющие показаны на рисунке 1.З.б,в. Результирующая напряженность поля приведена на рис 1.3 г, откуда видно ,что величина напряженности резко увеличивается перед головкой лавины и уменьшается позади головки. Такое положение способствует излучению лавиной фотонов, обладающих большой энергией. Но при прохождении лавины, к аноду искажение поля увеличивается.

В процессе развития лавины, в промежутке образуются также положительны ионы и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации также возбуждают молекулы газа, а переход возбужденных молекул в нормальное состояние сопровождается излучением. Воздействие фотонов и положительных ионов на катод, а также фотоионизация в объеме газа приводят к появлению электронов, которые называются "вторичными" так как они возникают результате вторичных процессов, связанных с развитием начальной лавины.

Рис. 1.3 Искажение электрического поля объемными зарядами начальной лавины

Механизм самостоятельного разряда в однородном поле.

Количественная оценка процесса роста числа электронов в однородном поле, движущихся к аноду, получивших название лавина электронов, равно:

n=e^αS, (1.5)

где n- число электронов в лавине; S - расстояние, пройденное лавиной;

α_эф- эффективный коэффициент ударной ионизации, учитывающий прилипание электронов к нейтральным молекулам газа.

При своем развитии лавина электронов расширяется вследствие диффузии и электростатического расталкивания. Считая, что лавина имеет форму шара, можно найти изменение во времени ее радиуса вследствие диффузии по следующей формуле:

(1.6)

где D - коэффициент диффузии электронов (в воздухе при нормальных атмосферных условиях D=12,7 см²/с); t - время, с.

Радиус лавины за счет электростатического расталкивания равен:

(1.7)

где е - заряд электрона, n - число электронов в лавине, ε_o = 8,85*10^-14 Ф/см - электрическая постоянная; Е - напряженность внешнего поля; а - коэффициент ударной ионизации.

(1.8)

где 8 - относительная плотность воздуха

(1.9)

где Р и Т - давление и температура в условиях опыта, Р_о и Т_о -нормальные атмосферные условия; Р_о = 760 мм рт. ст., Т_о = 293 К.

Под действием внешних ионизаторов (космические частицы, радиоактивное излучение земли, ультрафиолетовое излучение солнца и т.д.) в промежутке между электродами непрерывно возникают свободные первичные электрона, которые дают начало лавинам электронов. Движение заряженных частиц в промежутке создает ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке может прекратиться. Такой процесс, для поддержания которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным разрядом.

Разряд называется самостоятельным, если он существует в отсутствие внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся, по крайней мере, один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Условие самостоятельности разряда в однородном поле можно записать:

Y-e^aS≥l, (1.10)

где S - расстояние между электродами; у - коэффициент вторичной ионизации.

Напряжение, при котором в промежутке выполняется условие самостоятельности разряда, называет начальным.

В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов, при атом, напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, а в задней ее части уменьшается (рис. 1.3). В какой -то момент напряженность в задней части лавины уменьшается настолько, что становится невозможной ударная ионизация. Находящиеся в хвосте лавины оставшиеся электроны вместе с положительными ионами создают плазменное образование, дающее начало возникновению стримерного канала. В зависимости от условий стример может быть связан с электродом или не связан. Однако характерной его особенностью в любом случае является наличие избыточного заряда на конце, создающего местное удлинение электрического поля и обеспечивающего непрерывное усиление плазменного канала.

Критерием перехода лавины в стример является соизмеримость напряженности электрического поля, создаваемого лавиной электронов или положительными ионами в ее следе, и напряженности внешнего поля, создаваемого приложенным между электродами напряжением.

Из выражения (1.8) следует, что ионизация прекращается (а ≤ 0), если

Е ≤ b *δ (для воздуха b = 24,5 кВ/см). Напряженность в задней части лавины равна:

Е = Е_О-Е_Л, (1.11)

где Ео - напряженность внешнего поля, Е_л - напряженность, создаваемая лавиной.

Тогда критерий перехода лавины в стример запишется:

(Е₀-Е_л)≤b-δ, (1.12)

Напряженность Е_л определяется по формуле:

(1.13)

Учитывая электростатический радиус лавины по (1.7), можно найти критическое число электронов в лавине при переходе ее в стример:

Расчеты показывают, n_кр = 10⁷ ÷ 10⁹ электронов. С другой стороны, n_кр = ехр(α∙х_кр) , откуда

где х_кр - критическая длина лавины при переходе ее в стример.

Рассмотрим качественно на основе стримерной теории развитие разряда при минимальном разрядном напряжении, когда S=х_кр. Под воздействием внешнего ионизатора из катода выбивается начальный эффективный электрон (1 на рис.1.4). Возникает лавина электронов, развивающаяся по направлению к аноду (2). Электрическое поле в промежутке искажается: усиливается на фронте лавины и у катода вследствие влияния заряда положительных ионов в следе лавины и ослабляется за лавиной электронов. При усилении напряженности поля на фронте лавины становится возможной фотоионизация газа (3) вследствие возбуждения положительных ионов и излучения фотонов большой энергии при переходе ионов в невозбужденное состояние. Первоначальная лавина доходит до анода (4). Вторичные лавины, следуя по силовым линиям поля, втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первоначальной лавиной и имеющего наибольшую концентрацию у анода. У анода возникает канал разряда - стример (5), имеющий на своем конце избыточный положитель­ный заряд от вливающихся в него вторичных лавин. В промежутке стример -катод поле усиливается, что приводит к появлению многочисленных новых лавин, и стример со скоростью порядка 10⁸ см/с распространяется в направлении катода (6). Возникает бурная фотоионизация на катоде (7). Проводимость не пробитой до этого небольшой части промежутка скачком возрастает. Стример замыкает промежуток между электродами (8). Ток через канал разряда резко возрастает и канал ярко светится.

При напряжении больше минимально необходимого для пробоя промежутка значение а велико, и критическая длина лавины меньше расстояния между электродами (х_кр < S). В этом случав становится возможным развитие стримера от катода. Когда лавина достигнет критической длины, напряженность электрического поля в ее задней части недостаточна для того, чтобы отставшие электроны могли производить ионизацию, и в этой части лавины зарождается стример. С другой стороны, на фронте лавины с n_кр электронов поле значительно усиливается и становится возможной фотоионизация (особенно на катоде) в результате возбуждения положительных ионов. Схема развития разряда при

х_кр < S показана на рис. 1.5.

Таким образом, в однородном поле условие самостоятельности разряда выполняется при начальном напряжении, которое всегда совпадает с разрядным напряжением. В слабо неоднородных полях, эффективный коэффициент ударной ионизации α_эф>0 практически по всей длине промежутка, поэтому при выполнении условия самостоятельности разряда промежуток пробивается, и начальное напряжение также равно разрядному.

Пробивное напряжение в однородном поле.

В промежутке с однородным полем и расстоянием S между электродами условие самостоятельности разряда имеет вид:

γ[(ехр α_эф ∙S)-1]≥1

или

α_эф ∙S = ln(1 + 1/ γ) = k, (1.17)

Зависимость α_эф = δ∙f(E/σ) для большинства газов, в том числе для воздуха, можно аппроксимировать формулой

α_эф / δ = а(Е/ δ -b)², (1.18)

где а и b - постоянные для данного газа и Е/ δ ≥ b

Так как в однородном поле Е = U/S (полем зарядов лавины пренебрегаем), то из условия самостоятельности разряда нетрудно получить величину начального напряжения U₀ путем решения уравнения:

α∙ δ ∙S∙ (U₀/ δ ∙S-b)² =k

откуда:

(1.19)

Для воздуха b = 24,5 кВ/см., а = 0,2 см./кВ, k = 8,2 тогда

(1.20)

где U₀ - амплитудное значение при переменном напряжении для однородного поля, кВ; S - расстояние между электродами, см.; δ - относительная плотность воздуха, причем:

δ = 2,95∙10^-3 Р/Т, (1.21)

или

δ = 0,386 Р/Т, (1.21 а)

где Т - температура, К°,Р - давление, Па для (1.21) и мм рт.ст. для (1.21 а).

Формула (1.20) для воздуха применима только при 0.01 см, так как при меньшем S приближена формула (1.19) оказывается не справедливой.