Газоподібні діелектрики

1. Застосування газоподібних діелектриків в електротехнічних пристроях.

2. Електропровідність.

3. Пробій газів.

1. Перевагами газів перед рештою видів діелектричних матеріалів є високий питомий опір, малий тангенс кута втрат, мала (близька до одиниці) діелектрична проникність. Найважливішою властивістю газів є їх здатність відновлювати електричну міцність після розряду.

Хоча умови застосування газів досить різні, вимоги до них як до електроізоляційних матеріалів можуть бути узагальнені таким чином.

1. Важливо, щоб гази були хімічно інертними, не взаємодіяли з дотичними з ними твердими матеріалами.

2. При іонізації не повинні утворюватися особливо активні хімічні речовини, здатні руйнувати тверді матеріали, викликати корозію матеріалів.

3. Низька температура зріджування.

Питання застосування того або іншого газу може залежати від його вартості.

У високовольтних гермитизованих пристроях (конденсатори, трансформатори, кабелі) гази застосовуються звичайно під тиском. Виняток становлять різні вакуумні пристрої.

Повітря під тиском в основному використовується в так званих зразкових (стабільних, що не мають діелектричних втрат) конденсаторах до 1 кВ, в окремих випадках на напругу 10-35 кВ.

Повітря використовується практично в переважній більшості електротехнічних машин, апаратів, трансформаторів і приладів, навіть у пристроях, заповнених рідким діелектриком. Так, маслонаповнений трансформатор має виводи (ізолятори), частина яких знаходиться у навколишньому середовищі, і повітря є частиною системи ізоляції. Найбільше розповсюдження має повітря, хоча застосовуються й інші гази. Газоподібні діелектрики працюють звичайно в поєднанні з твердими.

Негативною особливістю повітря як діелектрика є низька електрична міцність. На електричну міцність газів впливає їх склад.

Підвищену електричну міцність мають так звані електронегативні гази через те, що їх молекули здатні приєднувати до себе (захоплювати) вільні електрони, що рухаються, перетворюючись таким чином на малорухливі негативні іони. Для здійснення ударної іонізації цим іонам потрібна велика напруженість електричного поля, ніж при іонізації електронами. До електронегативних відносять гази, що містять у своїх молекулах атоми фтору, брому, хлору.

Як газоподібні діелектрики в електротехніці широко застосовують азот і елегаз.

Азот - інертний газ, у хімічному відношенні при іонізації не виділяючий агресивних продуктів, не містить кисню, надаючого окисляючого впливу на стичними з ним матеріали. Азот має несприятливу особливість - залежність його електричної міцності від тиску. При відносно невисокому тиску наступає насичення - напруга практично перестає зростати із збільшенням тиску. Тиск, який викликає це насичення, залежить від однорідності електричного поля. Азот застосовують при тиску 1,0-1,5 МПа в конденсаторах, високовольтних кабелях, трансформаторах.

У даний час для високовольтних конструкцій найширше застосування має елегаз. Він був вивчений Б.М.Гохбергом, який і дав йому цю назву, скорочено від слів «електричний газ». Елегаз має ряд позитивних властивостей. Хімічно він достатньо інертний, зокрема не реагує з міддю і алюмінієм, електрична міцність більш ніж у повітря в 2,5 рази, висока густина (приблизно в 5,1 разів важче за повітря), не розкладається при Т=800^оС, має високі дугогасні властивості. Елегаз застосовується в розподільних герметизованих пристроях у газонаповнювальних кабелях, дільниках напруги, конденсаторах, трансформаторах і іншій високовольтній апаратурі.

Значний інтерес представляє водень, який має високий коефіцієнт теплопровідності, але меншу в порівнянні з повітрям електричну міцність. Застосовується як електроізоляційне і охолоджуюче середовище у крупних турбогенераторах.

2. Електропровідність газів має змішаний характер - іонний і електронний.

У слабких електричних полях питома провідність газів досить мала. Струми в цих умовах виникають у результаті переміщення вільних електронів і іонів, які утворюються під дією іонізуючих випромінювань земної кори, космічного проміння, ультрафіолетового випромінювання сонця, нагріву. Такі чинники називають зовнішніми чинниками. Разом з іонізацією в газі відбувається рекомбінація, що виникає унаслідок об'єднання позитивних іонів і електронів, створюючих хаотичний безперервний тепловий рух. У результаті рекомбінації утворюються молекули газу, що не мають заряду.

В електричному полі частина з іонів, що утворилися, несеться до електродів і там нейтралізується. Цей процес визначається густиною струму j, яка зростає при збільшенні Е за законом Ома (рис. 5.5, ділянка 1).

У полі Е1 всі заряджені частинки, які утворюються в діелектрику під дією зовнішніх іонізаторів, уносяться електричним полем до електродів, не рекомбінуючи, а струм, що протікає через діелектрик, досягає насичення (рис. 5.5, ділянка 2). При напруженостях більших напруженості Ен (рис. 5.5, ділянка 3) струм витоку починає зростати швидше, ніж за законом Ома. Це пояснюється виникненням ударної іонізації - вибиванням вільних електронів із нейтральних молекул при зіткненні з ними електронів, що отримали в електричному полі додаткову кінетичну енергію. При цьому струми витикання набувають такі значень, якими вже часто буває не можна нехтувати і в газах з'являються відчутні втрати потужності.

j

3 Рисунок 5.5

jнас 1. 2

Е1 Ен Е

При іонізації газів відбувається зміна хімічного складу, що залежить від природи газу. В повітрі виникає озон, оксиди азоту, які, взаємодіючи з вологою, утворюють азотну кислоту.

Електрична провідність газів у звичайних умовах не залежить від температури.

Якщо в газоподібному діелектрику містяться зважені частинки - домішки або спеціально введені малих розмірів частинки смол, пластмас, подрібнених керамік, найдрібніші крапельки рідких діелектриків, то іони і електрони, що утворюються в результаті іонізації молекул газу, осідають на поверхні частинок, заряджають їх. Заряджені частинки переміщаються в електричному полі, і струм, що протікає через такий діелектрик, стає великим. Такий процес використовують в технології нанесення на різні деталі і конструкції електроізолюючих шарів під дією електричного поля.

3. Повітря й інші газоподібні діелектрики використовуються в ізоляції конденсаторів, кабелів, розподільчих пристроїв електростанцій. Тому конструкції таких електротехнічних виробів розробляються з урахуванням електричної міцності газів, у атмосфері яких вони працюють.

Газоподібні діелектрики мають високі електроізоляційні властивості тільки при низьких напругах. Пробій газоподібних діелектриків починається з ударної іонізації. Для початку ударної іонізації необхідно, щоб кінетична енергія електронів, що розганяються електричним полем, стала більше енергії іонізації.

Явище пробою газу залежить від ступеня однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробій. Однорідне поле можна отримати між двома плоскими електродами із закругленими краями, а також між сферами великого діаметра при малій відстані між ними. В такому полі пробій наступає практично миттєво, досягши строго певної напруги, залежної від температури і тиску газу. Між електродами виникає іскра, яка потім переходить у дугу, якщо джерело напруги має достатню потужність. Чим більше відстань між електродами, тим менше електрична міцність, тому що розвиток процесів іонізації утрудняється через малу загальну довжину вільного пробігу електронів.

Електрична міцність газів у однорідному електричному полі залежить від їх густини, яка прямо пропорційна тиску і обернено пропорційна абсолютній температурі.

Електрична міцність газу в однорідному електричному полі залежить від частоти прикладеної напруги. При частотах 50-100 Гц пробивна напруга повітря практично збігається з напругою пробою на постійній напрузі. При частоті 5 10⁶ Гц вона зменшується на 25% від початкового значення. Це зв'язано з тим, що при великих частотах тривалість напівперіоду напруги стає менше часу формування електронної лавини, і для завершення пробою необхідно підвищувати прикладену напругу пробою.

Неоднорідне поле виникає між двома вістрями, вістрям і площиною, між проводами лінії електропередачі, між сферичними поверхнями при відстані між ними, що перевищує радіус і т.д. Особливістю пробою газу в неоднорідному полі є виникнення часткового розряду у вигляді корони в місцях, де напруженість досягає критичних значень, з подальшим переходом в іскровий розряд і дугу при зростанні напруги.

Пробивні напруги газів при однакових відстанях між електродами тим менше, чим менше однорідність електричного поля.