Предварительные сведения. Механизм пробоя газообразных диэлектриков

Механизм пробоя газообразных диэлектриков

В воздушном промежутке имеется некоторое количество начальных электронов, которые появляются за счет внешнего ионизатора (ультрафиолетовое излучение Солнца, космического излучения и т. д.) либо при развале отрицательных ионов. Отрицательные ионы всегда имеются в промежутке электроотрицательного газа и их появление так же обусловлено внешним ионизатором.

Основной причиной пробоя газообразного диэлектрика является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. 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 резко увеличивающегося числа электронов называется лавиной электронов.

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

Молекула может не ионизироваться под действием электрона, а перейти в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию, испуская фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особенно быстрому развитию разряда в канале с повышенной проводимостью газа.

Одновременно с ростом стримера начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой.

В однородном поле напряженность одинакова во всех точках разрядного промежутка. Поэтому, если ионизация началась, она распространяется от одного электрода до второго и возникновение самостоятельного разряда обязательно означает полный пробой промежутка. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при заданном расстоянии между электродами используется для определения приложенного напряжения.

В резко неоднородных промежутках, таких, например, как острие-плоскость, острие-острие и т. п., в которых радиус кривизны одного или обоих электродов может быть много меньше межэлектродного расстояния, возникает особая форма разряда – коронный разряд. При коронном разряде ионизация происходит лишь вблизи одного из электродов или вблизи обоих электродов, если они оба имеют малый радиус кривизны. Возникновение коронного разряда не означает полного пробоя промежутка.

Расчет пробивного напряжения и электрической прочности воздуха

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности, т. е. давления, если температура постоянна. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. Для расчета пробивных напряжений воздуха применима формула:

, (4)

где - пробивное напряжение при данных температуре и давлении; - пробивное напряжение при нормальных условиях (t=20°C и p=0,1 мПа); - относительная плотность воздуха.

Величина в формуле (4) равна:

,

где t - температура, °C; P - давление мм. рт. ст.

При номинальных условиях относительная влажность воздуха равна единице.

В случае резко неоднородного поля в разрядном промежутке (для электродов «острие-острие»):

,

где S - расстояние между электродами.

Для однородного поля (две плоскости с закругленными краями):

.

Электрическая прочность определяется:

.

Рекомендации по проведению измерений

Измерения напряжения пробоя производятся отдельно по каждому виду материалов.

Измерения пробивного напряжения и напряжения возникновения коронного разряда должны производиться с учетом изменения параметров исследуемого газа (воздуха). Величина существенно зависит от наличия ионизированных молекул и свободных электронов, которые образовались в предыдущем опыте. Измерения выполняются при различных расстояниях между электродами с определением средних значений измеряемых величин. Результаты оформить в отчет (прил. 4).

Задание на измерение

1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

2. Устанавливая различные электроды (изменяя форму поля) произвести измерение напряжений.

3. Произвести расчет электрической прочности и напряжения пробоя от формы электрического поля и расстояния.

4. Результаты измерений и расчетов представить в виде таблицы.

Результаты измерений и расчета

Форма электрического поля	Опытные данные	Расчетные данные
Номер опыта	Среднее	кВ	кВ/м
		n-1	n
Резконеоднородное поле
Неоднородное поле
Однородное поле

3.3. Контрольные вопросы

1. От каких параметров зависит пробивное напряжение газов?

2. Описать закономерности, которым подчиняется пробой газов в однородном поле.

3. Описать пробой газа в неоднородном поле.

4. Нарисовать зависимость электрической прочности газа (воздуха)

от температуры, давления и влажности.

5. Объяснить графики отчета.

6. Дать определение пробивного напряжения.

7. Дать определение электрической прочности.

8. Что такое напряжение короны?