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.