Пробой воздуха

Методические указания к лабораторной работе «Исследование влияния различных факторов на электрическую прочность воздуха»

Цель работы.. 1

Теоретические положения. 1

Порядок выполнения работы.. 7

Оформление отчета. 8

Контрольные вопросы.. 9

Список рекомендуемой литературы.. 9

 

Цель работы

1.     Исследовать влияние расстояния между электродами на электрическую прочность воздуха при различной степени неоднородности электрического поля;

2.     Исследовать влияние давления на электрическую прочность воздуха;

3.     Исследовать влияние температуры на электрическую прочность воздуха;

4.     Исследовать зависимость пробивного напряжения воздуха от полярности электродов в неоднородном электрическом поле.

Теоретические положения 

Внешней изоляцией на линиях электропередач, в трансформаторах и другом электротехническом оборудовании является воздух, который представляет смесь газов: азот (78,03 %), кислород (20,93 %), инертные газы (0,1 %), углекислый газ (0,03 %). Воздух и любой другой диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Эту внезапную потерю электроизоляционной  способности материала под действием внешнего электрического поля называют пробоем. Потеря изоляционных свойств может быть обратимой: газообразные и жидкие диэлектрики восстанавливают свои изоляционные свойства после снятия напряжения в силу подвижности молекул.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, кВ. Пробивное напряжение зависит от толщины диэлектрика и, следовательно, не может являться характеристикой электроизоляционных свойств материала, из которого изготовлена изоляционная конструкция. Характеристикой способности материала сохранять электроизоляционные свойства при воздействии повышенного напряжения является электрическая прочность. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

                                             ,  кВ/мм                           (1)

 

где h – толщина диэлектрика.

В случае однородного электрического поля электрическая прочность имеет четкий физический смысл. Она соответствует напряженности электрического поля, вызвавшего пробой электроизоляционного материала.

В случае неоднородного электрического поля, определенная по формуле (1) электрическая прочность, является условным параметром, который служит для взаимного сравнения различных материалов, если они были испытаны в идентичных условиях. Для газов характерен чисто электрический пробой в сильных электрических полях, приводящий к внезапному резкому возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя. Данный вид пробоя происходит за очень короткое время (порядка 10^-8 с). Примером явления чисто электрического пробоя является молния.

Газы состоят из нейтральных молекул, а обязательным условием возникновения разряда в газах является наличие в них свободных зарядов – электронов и ионов. Рассмотрим процесс возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе.

Когда электроны находятся на орбитах, ближайших к ядру, то потенциальная энергия атома минимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может получить при столкновении с электроном или при поглощении коротковолнового излучения. Энергия возбуждения равна разнице энергий электрона на удаленной и нормальной орбитах.

Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет примерно 10^-10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона. Чем большую энергию получает атом при столкновении с электроном или при поглощении фотона, тем на более удаленную орбиту переходит электрон. Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодействие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, которую необходимо сообщить атому (молекуле) для осуществления ионизации, называется энергией ионизации (W_и).

Энергии возбуждения и ионизации принято выражать в электрон-вольтах. 1 эВ – это энергия, которую электрон получает от электрического поля, пройдя разность потенциалов в 1 В. Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых газов

Газ	Минимальная энергия, эВ
	возбуждения (Wв)	ионизации (Wи)
N2 N O2 O H2O He	6,1 6,3 7,9 9,1 7,6 19,8	15,5 14,5 12,5 13,6 12,7 24,6

 

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация.  С увеличением количества заряженных частиц возрастает частота встреч частиц с противоположными знаками и скорость рекомбинации возрастает. Вследствие действия двух противоположных факторов – ионизации и рекомбинации – устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое количество заряженных частиц.

При воздействии естественных ионизаторов (ультрафиолетовое излучение, радиоактивное излучение, тепло) в воздухе ежесекундно образуется около одной пары зарядов в кубическом сантиметре. Небольшое количество в газе положительных ионов и электронов, как и нейтральные молекулы газа, находится в беспорядочном (хаотичном) тепловом движении.

Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы кроме тепловой энергии, приобретают под действием электрического поля направленную скорость. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную (кинетическую) энергию

                                                                                       (2)

где  q – заряд частицы, U_ – падение напряжения на длине свободного пробега ().

Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами. Ионизация молекул в результате столкновения с разогнанными электрическим полем заряженными частицами называется ударной ионизацией, а за счет захвата фотонов – фотонной.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов, то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Случайно появившийся в промежутке электрон при достаточной напряженности электрического поля может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы и т.д. Такой процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.

Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке. Под действием электрического поля ионы сравнительно медленно движутся к электродам.

Помимо ионизации электроны лавины производят возбуждение атомов и молекул газа. Поскольку энергия возбуждения существенно меньше энергии ионизации, то число возбужденных частиц значительно больше, чем ионизированных. Переход возбужденных частиц в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов, что наблюдается в виде свечения газа. Часть излученных фотонов имеет достаточно высокую энергию и принадлежит ультрафиолетовой области спектра.

При столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой возможны захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, фтор, хлор).

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия электрона была больше энергии ионизации или равнялась ей:

                                                                                 (3)

где W_Т – энергия теплового движения частиц (обычно небольшая при нормальной температуре); W_доп – дополнительная энергия, приобретенная электроном под действием внешнего электрического поля, определяемая по формуле (2).

Энергия ионизации для различных газов составляет 4÷25 эВ.

Падение напряжения на длине свободного пробега в однородном электрическом поле определяется по выражению:

                                                                                          (4)

где Е – напряженность электрического поля, кВ/мм;  – длина свободного пробега.

Тогда условие  ионизации приобретает следующий вид:

                                                                                (5)

где Е – электрическая прочность газа, соответствующая напряженности электрического поля, при которой произошел пробой.

Пробой газа происходит мгновенно (при расстоянии между электродами 1 см время пробоя составляет порядка 10^-8 с).

Электрическая прочность воздуха при нормальных атмосферных условиях (t = 20^о С, относительная влажность φ = 60 %, давление р = 760 мм рт.ст. = 0,1 МПа) при расстоянии между электродами 10 мм в однородном электрическом поле составляет 3 кВ/мм. Следовательно, электрическая прочность воздуха не остается постоянной, т.к. зависит от температуры, влажности, давления, неоднородности электрического поля и расстояния между электродами.

С увеличением температуры энергия теплового движения молекул увеличивается и для их ионизации требуется меньшая дополнительная энергия. И хотя длина свободного пробега электронов уменьшается с возрастанием температуры вследствие увеличения скорости движения молекул, электрическая прочность воздуха снижается. Увеличение температуры на 3^о С приводит к уменьшению пробивного напряжения на 1 %.

Повышение влажности воздуха также приводит к уменьшению его электрической прочности. Увеличение абсолютной влажности воздуха в 1,5 раза приводит к уменьшению U_пр на 5 %.

Подъем на каждые 100 м над уровнем моря (уменьшение атмосферного давления) приводит к снижению пробивного напряжения на 1 %.

Следует отметить, что указанное влияние атмосферных условий на U_пр воздуха относится к межэлектродным расстояниям до одного метра. При расстоянии между электродами более 1 м влияние атмосферных условий снижается по мере увеличения расстояний.

Зависимость электрической прочности воздуха от давления приведена на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Зависимость электрической прочности воздуха от давления

 

Точкой  отсчета для характеристики данной зависимости является  нормальное  атмосферное  давление,  равное  0,1 МПа (1 атм).

При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании (например, элегаза в высоковольтных выключателях).

При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.

При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Е_пр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

«Полочка» в зависимости Е_пр от давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вызвать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности. Высокие электроизоляционные свойства вакуума используются в вакуумных конденсаторах и вакуумных выключателях.

Явление пробоя воздуха зависит и от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Однородное электрическое поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами при расстоянии между ними, соизмеримом с диаметром сферы. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении напряжения строго определенной величины, зависящей от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность.

Электрическая прочность также зависит от расстояния между электродами.

Электрическая прочность Е_пр увеличивается при уменьшении расстояния между электродами (h = 0,1 мм и менее) (рис. 2), что связано с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке и трудностью формирования разряда, так как свободные электроны и ионы при таких малых расстояниях не успевают приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

 

 

 

Рис. 2. Зависимость электрической прочности воздуха

            при нормальном давлении в однородном элект-

            рическом поле от расстояния между электродами

 

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле как по величине пробивного напряжения U_пр, так, и по характеру развития самого процесса пробоя. Пробой газа в неоднородном поле, как правило, происходит при меньшем пробивном напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Неоднородное поле образуется между электродами, хоты бы один из которых имеет малую площадь, например, между острием и плоскостью, между проводами воздушных линий электропередач, между двумя остриями, между сферическими электродами при расстоянии между ними, превышающем диаметр сферы.

Особенностью пробоя газа в неоднородном электрическом поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В газообразных электроизоляционных материалах в неоднородном постоянном электрическом поле проявляется эффект полярности. Это явление иллюстрирует рис. 3, на котором показана зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами типа «острие-плоскость». При прочих равных условиях пробивное напряжение при положительной полярности острия существенно ниже, чем при отрицательной.

 

 

Рис. 3. Эффект полярности в газообразных диэлектриках:

            1 – положительная полярность иглы;

            2 – отрицательная полярность иглы

Этот эффект вызван тем, что в неоднородном электрическом поле в месте наибольшей неоднородности, т.е. вблизи острия, возникают положительные объемные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, напряженность которого при положительной полярности острия направлена согласно с напряженностью внешнего электрического поля (объемный положительный заряд является как бы продолжением острия) и пробой наступает при меньшем напряжении.

Порядок выполнения работы 

1.    Прочитать справку о программе виртуальной лабораторной работы.

2.    Выбрать форму электродов (плоские с закругленными краями) и выбрать расстояние между ними (h, мм).

3.    Увеличить напряжение, подводимое к электродам, до пробивного значения.

4.    Записать значения h и U_пр в соответствующую таблицу.

5.    Изменить расстояние между электродами и измерить U_пр  не менее чем для пяти значений  h. Данные занести в табл. 2.

 

Таблица 2

Плоские электроды

h, мм
Uпр, кВ
Епр, кВ/мм

 

6. Поочередно меняя электроды, выполнить пункты 2÷5 для следующих пар электродов:

а) сфера-сфера – табл. 3

б) плоский электрод-конус – табл. 4

в) сфера-конус – табл. 5

г) конус-конус – табл. 6.

7. Выбрать плоские электроды с закругленными краями, задать расстояние между ними и изменяя давление (не менее пяти значений), зафиксировать U_пр. Данные занести в табл. 7.

 

 

Таблица 7

Плоские электроды, h =

Р, МПа
Uпр, кВ
Епр, кВ/мм

 

8. Выбрать плоские электроды с закругленными краями, задать расстояние между ними и, изменяя температуру (не менее пяти значений), зафиксировать пробивное напряжение. Данные занести в табл. 8.

Таблица 8

Плоские электроды, h =

t, oC
Uпр, кВ
Епр, кВ/мм

 

9. Выбрать плоский электрод и конус и, изменяя расстояние между ними, зафиксировать значения пробивного напряжения при полярности электродов: (+) плоский электрод, (–) конус, а затем поменять полярность электродов. Данные занести в табл. 9.

 

Таблица 9

Полярность электродов	h, мм
	Uпр, кВ
	Епр, кВ/мм
	Uпр, кВ
	Епр, кВ/мм

 

Оформление отчета

1.      Построить в одних координатных осях графики зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами различной формы.

2.      Построить в одних координатных осях графики зависимостей электрической прочности от расстояния между электродами различной формы.

3.      Построить зависимость электрической прочности от давления.

4.      Построить зависимость электрической прочности от температуры.

5.      Построить в одних координатных осях графики зависимостей пробивного напряжения от расстояния между электродами при различной полярности электродов.

6.      Построить в одних координатных осях графики зависимостей электрической прочности от расстояния между электродами при различной полярности электродов.

Контрольные вопросы 

1.      Что такое электрическая прочность диэлектрика?

2.      Условие возникновения ударной ионизации.

3.      Что такое фотонная ионизация?

4.      Чем объясняется увеличение электрической прочности газов при уменьшении расстояния между электродами при прочих равных условиях?

5.      Пояснить зависимость электрической прочности воздуха от давления.

6.      Влияние температуры на электрическую прочность газов.

7.      Что такое длина свободного пробега электрона?

8.      Каким образом длина свободного пробега электронов влияет на процесс ионизации газов?

Список рекомендуемой литературы 

1.      Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. – 304 с.

2.      Журавлева Л.В. Электроматериаловедение: уч. пособие. 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 352 с.

3.      Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия. Справочник. Изд. 2-е, испр. – М.: ИП Радио Софт, 2007. – 352 с.: ил.