Основні теоретичні відомості. Роботу виконують на установці №1 (рис
Роботу виконують на установці №1 (рис. 2.1)
При збільшенні величини напруги до деякої критичної величини Uк, прикладеної до повітряного проміжку, останній поступово втрачає свої ізоляційні властивості й переходить у якісно новий стан, що характеризується різким збільшенням струму через нього. Це явище називають електричним пробоєм, а величину потенціалу, при якій відбувається електричний пробій повітряного проміжку,- розрядною напругоюUp.
Електрична міцність (тобто розрядна напруга) повітряного проміжку
залежить від різних факторів: полярності прикладеної напруги, ступеня неоднорідності електричного поля між електродами, наявності й місця розташування бар'єру між електродами, характеру й інтенсивності джерела зовнішньої іонізації, факторів зовнішнього середовища: температури, тиску, вологості.
Електричний струм в газовому середовищі виникає завдяки переміщенню вільних електронів та іонів в електричному полі, що утворюються з нейтральних атомів і молекул завдяки процесам іонізації. Іонізація газу полягає у звільненні або приєднанні електрона до нейтрального атома або молекули й утворенні позитивно або негативно заряджених частинок - іонів. Тому гази поділяються на електропозитивні й електронегативні.
Іонізація повітря стимулюється впливом різноманітних зовнішніх факторів, дія яких полягає в передачі електронам енергії, необхідної для звільнення їх з атома. До числа таких зовнішніх іонізаторів відносяться: радіоактивний фон землі, сонячне або рентгенівське випромінювання, нагрів до температури порядку 5000 °С. Одночасно з процесом іонізації відбувається зворотній процес рекомбінації – перетворення іонів у нейтральні атоми і молекули шляхом захоплення ними вільних електронів. Тому повітря поновлює свої діелектричні властивості при виключенні зовнішнього іонізатора.
У сильному електричному полі електрони й іони газу набувають значної швидкості і стикаються з нейтральними атомами й молекулами, вибиваючи з них електрони і перетворюючи їх у заряджені частинки. Відбувається так звана ударна іонізація, коли кількість вільних електронів і іонів в міжелектродному проміжку зростає за експоненціальним законом:
Рис.2.1-Схема лабораторної установки №1
, (2.1)
де n0 – початкова кількість електронів;
α – коефіцієнт ударної іонізації;
х – шлях вільного пробігу електрона.
Оскільки маса електронів у 104 разів менша за маси іонів, то рухливість їх значно більша, тому ударна іонізація відбувається в основному за рахунок зіткнення електронів з атомами й молекулами у випадку, коли кінетична енергія електрона в електричному полі We = e∙ E∙ x перевищує енергію зв'язку електрона з атомом ( тут е – заряд електрона, Е – напруженість електричного поля).
Певну роль у збільшенні електропровідності повітря відіграють електроди, зокрема катод, при бомбардуванні якого іонами вибиваються вторинними електронами, що прискорюють процес ударної іонізації.
Але не всі зіткнення електронів з атомами приводять до іонізації останніх. У тому випадку, коли кінетична енергія електрона недостатня для того, щоб відбулася іонізація, він тільки збуджує атом, який за час 10-8 с повертається до нормального стану енергетичної рівноваги, виділяючи при цьому надлишок енергії у вигляді випромінювання фотона з енергією ε = hν, де h -постійна Планка, ν-частота електромагнітного випромінювання.
Електрична міцність повітряного проміжку значною мірою визначається напруженістю електричного поля між електродами, яка, в свою чергу, залежить від кривизни поверхні електродів. Тому напруга, при якій починається розвиток іскрового лавинного розряду для електродів різної форми, буде різна: між стержневими електродами вона буде меншою, між плоскими або кулеподібними – більшою. Пробій повітряного проміжку в різко неоднорідному полі (стержень - площина) починається з утворення місцевого локального розряду, який називають коронним в місці найбільшої напруженості електричного поля - біля стержневого або коронуючого електрода. Наслідком виникнення коронного розряду в міжелектродному проміжку є утворення електронами й іонами об'ємних зарядів різного знаку. Завдяки різній рухливості електронів та іонів напруга, при якій виникає корона і розвивається іскровий розряд, залежить від полярності напруги, прикладеної до електроду, біля якого напруженість поля вища. Напруга, при якій з'являється коронний розряд, має назву критичної коронної напруги. У рівномірних полях коронний розряд не виникає, тому важливим завданням конструювання високовольтного електроенергетичного обладнання є вирівнювання електричних полів уміжелектродних проміжках.
Розглянемо випадок, коли на стержневий електрод подано позитивний потенціал (рис.2.2, а). Якщо поблизу електрода напруженість електричного поля Е достатньо велика, починається процес ударної іонізації і виникає лавина електронів, спрямована від катода до анода, тобто до стержня. Електрони, маючи більшу рухливість, приходять до стержня і нейтралізуються на його поверхні, знижуючі його потенціал. Більш повільні позитивні іони рухаються до плоского електрода, утворюючи поблизу стержня позитивний об'ємний заряд +q, який створює поле Е+, спрямоване протилежно напруженості поляЕ0, -зовнішнього джерела напруги; на відстані від стержня напруженості Е+ і E0 співпадають. При цьому утворюється розподіл напруженості електричного поля між електродами, показаний на рис.2.2, а. Сумарна крива Е= E0+ Е+ тут показує результуючий розподіл напруженості електричного поля між електродами. Зокрема видно, що поблизу стержня позитивний об'ємний заряд +q зменшує напруженість електричного поля і збільшує її на деякій відстані від електрода. Завдяки цьому напруженість поблизу стержня зменшується, що запобігає виникненню коронного розряду. Одночасно область підвищеної напруженості розповсюджується на іншу частину міжелектродного проміжку, що сприяє його іонізації і розвитку іскрового розряду.
У другому випадку, коли на стержневий електрод подано негативний потенціал, картина розподілу напруженості електричного поля буде суттєво іншою (рис.2.2,б). Лавини електронів, рухаючись від стержневого до плоского електрода, залишають канали лавин, залишаючи після себе позитивній об'ємний заряд +q. Опинившись між позитивно зарядженим об'ємним зарядом +q і позитивно зарядженим плоским електродом, електрони втрачають свою швидкість і більша їх частина захоплюється молекулами кисню з утворенням малорухомих негативно заряджених іонів -q, які утворюють поле об'ємного заряду - Е-. Результуюча крива розподілу напруженості поля Е складається з трьох компонент: поля зовнішнього джерела напруги Е0, поля позитивного об'ємного заряду Е+ і поля негативного об’ємного заряду Е- (рис.2.2, б). З рис. 2.2, б видно, що об’ємні заряди в цьому разі збільшують напруженість поля поблизу стержня, сприяючи виникненню корони, і водночас знижують напруженість між позитивним і негативним об’ємним зарядами. Це звужує
а б
Рис.2.2 -Розподіл напруженості електричного поля між електродами:
а - на стержневий електрод подано позитивний потенціал;
б - на стержневий електрод подано негативний потенціал.
ділянку можливої іонізації і зменшує імовірність розвитку іскрового розряду. Таким чином напруга, при якій виникає корона, вища при позитивному потенціалі стержня, тоді як розрядна напруга (і, відповідно, електрична міцність повітряного проміжку) вища при негативному потенціалі стержня.
Якщо в міжелектродному проміжку розташувати бар'єр – тонку діелектричну пластину, то електрична міцність його суттєво зростає. Це пояснюється тим, що тонкий бар'єр не є перепоною для електронів, тоді як іони, маса яких в 104 раз більша, затримуються ним і завдяки силам електростатичного розштовхування рівномірно розподіляються по поверхні пластини, утворюючи додатковий квазіелектрод. У результаті поле між бар'єром і плоским електродом стає квазіоднорідним, а між коронуючим електродом і бар'єром зменшується, що значно збільшує електричну міцність проміжку. Напруженість поля в проміжку між стержнем і бар'єром, що заповнений іонами одного знаку, мала і там протікає невеликий струм, поповнюючи заряд бар'єра, який зменшується завдяки струмам витоку.
Порядок виконання роботи
1. Ознайомитись з теоретичним матеріалом, присвяченим електричним явищам в газах, за підручниками [1-3].
2. Вивчити схему лабораторної установки (рис. 2.1) і ознайомитись з вимогами ТБ при роботі з нею.
3. Перевірити вихідне положення регулятора напруги і комутаційних апаратів.
4. Дослідити залежність величини розрядної напруги від відстані між електродами в однорідному полі. Для цього необхідно:
- закріпити на установці дископодібні електроди;
- зачинити двері огородження;
- ввімкнути установку в мережу 220 В (повинна загорітися зелена сигнальна лампочка);
- встановити величину розрядного проміжку згідно з табл.2.1;
- ввімкнути автоматичний вимикач захисту на апараті АИИ-70 (при цьому повинна загорітися червона сигнальна лампочка);
- повільно підвищувати напругу (із швидкістю 1 кВ/с) до моменту пробою (спрацьовує реле максимального струму і апарат АИИ-70 вимкнеться);
- результати вимірювання розрядної напруги занести в табл.2.1.
5. Дослідити залежність розрядної напруги від відстані між електродами для змінної напруги й від полярності напруги для різко неоднорідного електричного поля. Послідовність проведення вимірювань аналогічна попередньому досліду. Результати вимірювань занести в табл.2.1.
6. Вивчити залежність величини розрядної напруги від відстані між стержневим електродом і бар'єром для змінної напруги, і від полярності прикладеної напруги при постійній відстані між електродами L = 25 мм.
Таблиця 2.1 - Протокол вимірювань
| № п/п | Форма електродів та їх полярність | L, мм | Uр, кВ (ефек) | Uр, кВ (мах) |
   | +- | |||
   | ~ | |||
   | + - | |||
   | - + |
Перед кожним вимірюванням треба встановлювати новий бар'єр. Результати вимірювань занести в табл. 2.2.
Таблиця 2.2 - Протокол вимірювань
| № | Форма електродів та їх полярність | Відстань між бар’єром і стержнем, мм | |||||||||
| п/п | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0 | ||
  |  + - | Напруга розрядна (ефективна)Uр, кВ | |||||||||
| Напруга пробою, Uп, кВ | |||||||||||
 - + | Напруга розрядна (ефективна) Uр, кВ | ||||||||||
| Напруга пробою Uп, кВ |
Зміст звіту
У звіті необхідно навести спрощену схему лабораторної установки, результати вимірювань і розрахунків (табл. 2.І і 2.2), графіки отриманих залежностей, їх якісний і кількісний аналіз. Зокрема чітко визначити характер і величину зміни електричної міцності повітряного проміжку, вплив бар'єру на електричну міцність, оптимальне місце встановлення бар'єру та значення ефекту полярності. У висновках навести інтерпретацію отриманих експериментальних результатів.
Контрольні запитання
1. Що таке іонізація, як відбувається процес ударної іонізації газу?
2. У чому полягає причина виникнення коронного і стримерного розряду?
3.Який механізм впливу зовнішнього іонізатора на електричну міцність повітряного проміжку?
4. При якій полярності стержня електрична міцність проміжку стержень-площина більша? Як це пояснити?
5. Поясніть механізм впливу бар'єру на електричну міцність розрядного проміжку при позитивному і негативному потенціалі стержня.
6. Наведіть приклади використання бар'єрів в ізоляції високовольтного електричного обладнання.
7. Як впливає однорідність електричного поля на величину пробивної напруги, які засоби використовують для регулювання однорідності електричних полів в електроенергетиці?
8. Які практичні рекомендації щодо конструювання високовольтного обладнання можна запропонувати, виходячи з ефекту полярності та бар'єрного ефекту?
9. Яка причина свічення, що супроводжує корону ?
10. Чим відрізняється стан збудженого атома від стану іонізованого ?
11. Що таке електронегативні й електропозитивні гази, які з них мають більшу електричну міцність?
12. Що таке ефективний коефіцієнт ударної іонізації, який його аналітичний вигляд?
13. Як відбувається процес вторинної іонізації в об'ємі газу і на катоді?
14. Поясніть механізм сходинкової іонізації.
15. Що являє собою планетарна модель атома ?
16. Поясніть, чому при імпульсній напрузі бар’єри малоефективні ?
17. Поясніть залежність електричної міцності проміжку від розташування бар’єру.
18. Дайте визначення коефіцієнта вторинної іонізації.
19. Назвіть основні види й механізми іонізації.
20. Який вплив на процеси іонізації мають однорідні й неоднорідні електричні поля ?
Лабораторна робота № 3