Электрические разряды в газах при постоянном напряжении

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы и элементы электронной техники

Часть 1

Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения всех специальностей электротехнического
факультета

Екатеринбург 2004

УДК 621 027

Составители С.Ю.Кропотухин, С. Р. Яковенко

Научный редактор доц., канд.техн.наук В.И.Лузгин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Электротехнические материалы: Методические указания к лабораторным работам / С.Ю.Кропотухин, С. Р. Яковенко.

Екатеринбург: изд-во ГОУ ВПО УГТУ- УПИ, 2005.Ч1. 54с.

Методические указания включают четыре лабораторные работы по курсу “ Электротехнические материалы: газообразные и твердые диэлектрики, электрические характеристики “

В описании к каждой работе приводятся краткие теоретические сведения по содержанию работы, схемы установки, методические указания по проведению опытов.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 24. Табл. 10.

Подготовлено кафедрой “Техника высоких напряжений”.

ã ГОУ ВПО Уральский Государственный технический университет-УПИ, 2005

РАБОТА 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ

Цель работы - ознакомиться со стадиями формирования пробоя воздуха, факторами, влияющими на пробой и способом количественной оценки его электрической прочности.

Воздух или другие газы в той или иной степени всегда присутствуют в любой изоляционной конструкции. Шины распределительных устройств, провода линий электропередачи, выводы высокого напряжения трансформаторов и других аппаратов изолированы друг от друга воздушными промежутками, в которых воздух играет роль единственного изолирующего вещества. Опорные изоляторы подстанций, подвесные изоляторы линий электропередачи и другие изоляционные конструкции находятся в воздушной среде. Нарушение электрической прочности изоляторов и изоляционных конструкций может произойти путём пробоя твердого диэлектрика, из которого изготовлен изолятор, или путём развития разряда в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика.

Но воздух или другой газ имеют значение не только естественной газовой среды, в которой находятся изоляционные конструкции. Газ может использоваться также в качестве одного из основных изоляционных материалов в кабелях, конденсаторах и других электрических аппаратах.

В основе формирования пробоя воздуха, т.е. перехода газа из непроводящего состояния в проводящее лежит процесс ионизации. Ионизация газа - процесс образования заряженных частиц из электрически нейтральных молекул.

Идеальный газ, состоящий только из нейтральных молекул, абсолютно не проводит электрического тока. В реальных газах за счет различных внешних воздействий (ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение почвы, космические лучи и т.д.) всегда имеется некоторое количество ионов и электронов, сообщающих газу определенную проводимость.

Если к газовому промежутку с плоскими электродами подвести постоянное напряжение, величину которого можно изменять, то свободные заряды начнут двигаться вдоль силовых линий поля, создавая ток I во внешней цепи. По мере увеличения приложенного напряжения этот ток возрастает (рис. 1.1) за счет того, что все большая часть зарядов успевает достичь электродов, не рекомбинировав в пространстве. Затем наступает режим насыщения, как в электронных лампах, когда заряды в пространстве практически не рекомбинируют, а при дальнейшем возрастании напряжения ток начинает снова возрастать, что свидетельствует о начавшемся процессе ионизации в газе под действием электрического поля. Затем, при некотором значении напряжения, происходит резкое увеличение тока, которое свидетельствует о внезапном качественном изменении состояния газа. Это напряжение называется пробивным напряжением U_пр газового промежутка и при достижении этого напряжения газ теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник. Происходит пробой диэлектрика.

Ι

U

U_пр

Рис. 1.1 . Вольт-амперная характеристика разряда в газе.

Весьма существенна также следующая особенность прохождения тока через газ. При напряжениях меньше разрядного, непременным условием прохождения тока является наличие внешнего ионизатора, непрерывно создающего электроны и ионы в межэлектродном пространстве. Если этот внешний ионизатор убрать, ток в промежутке немедленно прекращается, прекращается и ионизация под действием сил электрического поля. Процесс является несамостоятельным, т.е. он не может поддерживаться только за счет внутренних ресурсов самого промежутка. При напряжении, равном разрядному, процесс приобретает самостоятельный характер, т.е. он больше не нуждается в помощи внешнего ионизатора. Поэтому говорят, что условием пробоя промежутка является условие превращения разряда в самостоятельный.

Для того чтобы, ионизировать нейтральную молекулу, необходимо затратить определенную работу, которая называется энергией ионизации W_u . Эту работу принято измерять с помощью разности потенциалов U_u, проходя которую в электрическом поле, электрон приобретает энергию равную энергии ионизации. Величина U_u называется потенциалом ионизации и численно равна энергии ионизации, выраженной в электрон-вольтах. Энергия в 1 эВ равна совершаемой электрическим полем работе по перемещению электрона между двумя точками, разность потенциалов между которыми равна 1 В. Так как заряда электрона q =1,6×10^-19 Кл, то 1эВ = 1,6×10^-19 Дж.

Энергия ионизации некоторых газов:

Различают два вида ионизации: объемную (отделение электрона от нейтральной частицы) и поверхностную (эмиссия электронов с поверхности электрода).

Объемная ионизацияпроисходит в газе, находящемся между электродами несколькими способами:

Ударная ионизация.

Фотоионизация

Вторым важным источником образования свободных электронов является фотоионизация, т.е. ионизация газа под действием коротковолнового излучения.

Если молекуле газа сообщается энергия, меньшая энергии ионизации данной молекулы, то внешний электрон, не покидая пределов молекулы, может перейти на другой, более высокий энергический уровень. Такой процесс называется возбуждением. Время жизни молекулы в возбужденном состоянии невелико и составляет около 10^-8 с. Поэтому через некоторое время электрон вернется на стационарную орбиту, а поглощенная энергия выделится в виде фотона. Если положительный ион столкнется со свободным электроном или отрицательным ионом, то возможна их рекомбинация. При рекомбинации энергия, ранее затраченная на ионизацию, выделяется в виде излучения с определенной длиной волны. Частота излучения n в общем случае определяется равенством

hn = W_u + ΔW_к,

где h = 6,5*10^-34 Дж×с. – квантовая постоянная;

ΔW_к – разность суммарной кинетической энергии участвующих в столкновении частиц до и после столкновения.

Таким образом, ионизационные процессы в газе всегда сопровождаются выделением большого количества фотонов, обладающих различными энергиями.

Для того чтобы воздействие на газ излучения с частотой n (длиной волны λ = с – скорость света) привело к ионизации газа, необходимо выполнить условие или .

Самые длинные волны, которые могут ионизировать газ, лежат в ультрафиолетовой части спектра, так что видимый свет практически не ионизирует. Искусственные источники ультрафиолетовых лучей дают длины волны не менее 150-200 мкм, поэтому непосредственную ионизацию с их помощью можно было бы получить только в газах, энергия ионизации которых W_u = (6 -8) эВ.

Термическая ионизация

Под термической ионизацией понимаются все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При высокой температуре имеются следующие возможности ионизации:

а) ионизация при соударениях между молекулами газа, которые при высоких температурах двигаются с большими скоростями;

б) фотоионизация за счет теплового излучении нагретого газа;

в) ионизация при соударениях молекул с электронами, образовавшимися в результате первых двух процессов.

При низких температурах вероятность термической ионизации невелика, с ростом температуры ионизация делается значительно более вероятной.

Данный процесс играет важную роль в канале дуги……????

Поверхностная ионизация

Электроны в газе могут появляться и путем эмиссии из катода. Освобождение электрона из металла также требует совершения работы, называемой энергия выхода, которая у разных металлов различна и зависит от состояния их поверхности. В таблице приведены значения энергии выхода для некоторых чистых металлов.

Таблица 1.1

Металл	Энергия выхода, эВ
Алюминий	1,8
Медь	3,9
Железо	3,9
Серебро	3,1
Платина	3,6

Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может сообщаться ему различными способами.

1. Термоэлектронная эмиссия.

При нагревании катода происходит увеличение скорости электронов. Если при этом кинетическая энергия электрона превысит энергию выхода, он может перескочить через потенциальный барьер и покинуть пределы электрода.

В изоляционных конструкциях в начальных стадиях разряда нет термоэлектронной эмиссии, но в дуговом разряде в месте соприкосновения с дугой катода нагревается до температуры в несколько тысяч градусов и термоэлектронная эмиссия приобретает важное значение в снабжении канала дуги свободными электронами.

2. Фотоэлектронная эмиссия.

Облучение поверхности металла коротковолновым излучением, обладающим достаточно малой длиной волны (фотоэффект).

3. Автоэлектронная эмиссия.

Наложение сильного внешнего электрического поля (холодная эмиссия).

4.Бомбардировкой поверхности металла какими-либо частицами (например, положительными ионами) обладающими достаточной энергией.

Для осуществления поверхностной ионизации с помощью холодной эмиссии внешнее поле должно иметь очень большую величину порядка 1000 кВ/см, что в промышленных изоляционных конструкциях бывает крайне редко. Поэтому в газовых промежутках, с которыми приходится иметь дело в технике высоких напряжений, основное значение имеет бомбардировка поверхности металла частицами и облучение ее коротковолновым излучением. Кроме того, внешнее поле напряженности, недостаточное для осуществления холодной эмиссии, несколько уменьшает энергию выхода электрона из металла и тем самым способствует осуществлению других видов ионизации на поверхности.

Как известно, высокую проводимость газ может приобретать только в особом состоянии, называемом плазмой, когда значительная часть молекул газа ионизирована, причем проводимость плазмы возрастает по мере увеличения числа ионов, содержащихся в единице объема. Количество положительных и отрицательных зарядов в единице объема плазмы практически одинаково, причем носителями положительных зарядов являются ионы, а носителями отрицательных зарядов - ионы и электроны.

Таким образом, разряд в газе сопровождается переходом в состояние плазмы всего пространства между электродами или его части.

При наблюдении невооруженным взглядом можно различать стадии пробоя по форме и характеру свечения. Свечение является следствием рекомбинации и перехода возбужденных атомов в нормальное состояние. Невооруженным взглядом обнаруживается свечение разрядов - тлеющего, искрового, дугового, коронного и кистевого. Другие, более ранние, стадии разряда, хотя и сопровождаются излучением энергии, но не обнаруживаются невооруженным глазом; их иногда называют темным разрядом.

Можно рассмотреть следующие основные виды разряда:

1. Тлеющий разряд

Тлеющий разряд возникает в промежутке при малых давлениях газа, когда плазма даже при высокой степени ионизации не может приобрести большую проводимость из-за недостаточного числа молекул газа в единице объема. Поэтому абсолютная величина тока, проходящего в газе, не может быть очень большой, не велико также и взаимодействие между отдельными ионами, находящимися в промежутке. Тлеющий разряд обычно занимает все пространство между электродами. Характерным примером является тлеющий разряд, используемый в газосветных трубках, лампах дневного света и др.

2.. Искровой разряд.

Искровой разряд образуется в промежутке при достаточно больших давлениях газа р и расстояниях между электродами s (p×s > 1000 м×Па) в случае, если мощность источника питания невелика или если напряжение приложено к промежутку на очень короткое время. При больших давлениях газа разряд развивается в виде узкого канала. Концентрация ионов в плазме, заполняющей этот узкий канал, может достигать больших величин, но величина тока в канале ограничивается мощностью источника. Благодаря этому интенсивность термической ионизации может оказаться недостаточной для поддержания проводимости и канал разряда распадается. Это, например, имеет место при переменном напряжении, когда разряд в газовом промежутке происходит в виде перемежающихся искр, последовательно возникающих между электродами.

3.Дуговой разряд.

Дуговой разряд является следующей стадией искрового разряда при большой мощности источника. В этом случае через промежуток может проходить большой ток, который способствует разогреву канала, возрастанию его проводимости, а, следовательно, дальнейшему увеличению тока. В конце концов будет достигнуто состояние равновесия, когда тепловые потери из канала прекратят дальнейшее повышение температуры. Канал дугового разряда характеризуется высокими температурами (до 8000К) и значительной степенью ионизации газа.

4. Коронный разряд.

Коронный разряд является своеобразной формой разряда, характерной для резко неоднородных полей.

В таких полях при напряжении, соответствующем выполнению условия самостоятельности, образующиеся стримеры не могут перекрыть все пространство между электродами, и ионизация ограничивается узкой областью вблизи электрода с малым радиусом кривизны. Эта область обычно называется чехлом короны. При этом между электродами промежутка не возникает сквозного проводящего канала.

Ионизация и сопутствующие ей процессы рекомбинации и перехода возбужденных молекул в нормальное состояние способствует выделению большого количества квантов света, благодаря чему чехол короны светится, создавая своеобразное прерывистое голубоватое сияние вокруг коронирующего электрода, сопровождаемое характерным потрескиванием.

При увеличении напряжения отдельные стимеры, из которых состоит чехол короны, постепенно удлиняются, возрастает количество ионов в промежутке и увеличивается ток короны.

Образование коронного разряда не означает полной потери газовым промежутком изолирующих свойств, однако в изоляционных конструкциях образование коронного разряда является нежелательным. Наличие короны приводит к дополнительной ионизации газа, что может ускорить пробой промежутка. Кроме того, корона приводит к потерям энергии и к образованию озона, ускоряющего разрушение изоляции.