Билет №12. Механизм пробоя газов. От каких факторов зависит электрическая прочность воздуха.

Во многих электроустановках (линии электропередач, конденсаторы, кабели, распределитель­ные устройства электростанций) изолирующей средой у поверхности изоляторов и между открытыми токоведущими час­тями служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях (t = 20°C, P = 760 мм рт. ст.) невелика по сравнению с прочностью большин­ства жидких и твердых диэлектриков и составляет Е_пр = 3...4 кВ/мм.

В любом газе, в том числе и в воздухе, под воздействием внешних ионизаторов, которыми являются рентгеновское, косми­ческое, тепловое излучения, возникает небольшое количество сво­бодных зарядов - положительных и отрицательных ионов, а так­же электронов (несамостоятельная ионизация). Эти свободные заряды, также как и нейтральные молекулы газа, находятся в беспорядочном тепловом движении.

Если к газовому промежутку приложить электрическое поле, то заряды начинают перемещаться вдоль поля, по пути соударяясь с нейтральными молекулами. При перемещении заряженная частица приобретает дополнительную энергию:

W = qU_, (5.2)

где q – заряд частицы; U_ – падение напряжения на длине свободного пробега (длине между двумя соударениями).

Если поле достаточно однородно, то U_ = E, где E – напряженность поля,  – длина свободного пробега. Тогда

W = qE. (5.3)

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение молекул, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже их ионизация, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы (рис.5.2). В результате ионизации число электронов в газовом промежутке очень быстро («лавинообразно») увеличивается (электронная лавина).

Условие, определяющее возможность ионизации:

W ≥ W_и , (5.4)

где W_и – энергия ионизации.

В процессе ионизации принимают участие только электро­ны. Это объясняется тем, что электроны имеют большую подвиж­ность, чем ионы. Соответственно и длина свободного пробега у электронов больше, чем у ионов.

а) б)

Рис 5.2 Схема ионизации нейтральной молекулы газа:

до ионизации (а), после ионизации (б).

1 – электрон, 2 – нейтральная молекула, 3 – положительный ион.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не иони­зировать молекулу, а лишь привести ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой нейтральной молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа, благодаря большой скорости распространения излучения, приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов повышенной электропроводности газа.

На рис. 5.3 представлена схема развития разряда в газовом промежутке. Из него становится понятным, почему рост проводящего канала (стримера) происходит быстрее, чем продвижение элект­ронной лавины. Здесь лавины показаны в виде серых ко­нусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов.

Рис 5.3 Схематичное изображение распространения стримера при пробое газа

Внутри каждого конуса, представляющего собой раз­вивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встреча­емые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Начала волнистых линий (фотонов) исходят из молекул, которые были «возбуждены» ударом электрона, и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 310⁸ м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, которое изображено концом волнистой линии, ионизируют нейтральную частицу газа, порождая новую лавину.

Таким образом, пока первая лавина вырастает, на величину АВ, намечающийся канал повышенной электропроводности газа, то есть стример, распространяется на величину СD.

В следующей стадии отдельные лавины в стримере, нагоняя друг другу, сливаются, образуя сплошной канал ионизи­рованного газа – канал пробоя. Ток в канале пробоя резко возрастает, и газ теряет свои изоляционные свойства (пробивается).

Пробой газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором он осуществляется. Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле (между плоскими электродами) в зависимости от различных факторов.

Билет №13. Зависимость электрической прочности газа от расстояния между электродами.

Электрическая прочность Е_пр зависит от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет Е_пр (рис. 5.4).

Рис 5.4 Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном электрическом поле f=50Гц, Т=20^оС, P ≈ 0,1 МПа.

При ма­лом расстоянии между электродами рост Е_пр связан с трудностью форми­рования разряда (уменьшается вероятность столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке, поскольку свободные электроны быстро достигают положительной обкладки).

Билет №14. Как зависит электрическая прочность газов от давления.

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). На рис. 5.5 приведена зависимость электрической прочности от дав­ления.

Рис 5.5 Зависимость электрической прочности газа от давления

При давлениях выше атмосферного (более 0,1МПа) и соответственно повышенной плот­ности газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше; тем самым уменьшается длина свободного пробега электро­нов и, как следует из формулы (5.3), для того чтобы пробой произо­шел, должна быть увеличена напряженность поля.

При уменьшении давления ниже 0,1МПа вначале наблюдается падение электри­ческой прочности; когда же давление до­ходит до некоторого предела и раз­режение достигает высоких степеней, электрическая прочность начинает снова возрастать. Это возрастание объясняется уменьше­нием числа молекул газа в единице объема при сильном разрежении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырыва­ния электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значе­ний и зависит от материала и состояния поверхности электродов и больше не изменяется («полочка» на рис. 5.5).

Большую электриче­скую прочность вакуума используют в технике при конструирова­нии вакуумных конденсаторов и выключателей. Газы при больших давлениях применяюся в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения.