Пробой газового промежутка с однородным полем. Закон Пашена

За счет действия внешних ионизаторов в изоляции образуется некоторое число свободных электронов. В качестве таких ионизаторов обычно выступает естественная радиоактивность горных пород и космическое излучение. Если в промежутке между электродами появится свободный электрон, то он будет ускоряться электрическим полем, при достаточно большой напряженности поля электрон до соударения приобретет кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. После первого акта ионизации будет уже два свободных электрона; постоянно возрастающий поток электронов называется электронной лавиной. Если после прохождения первой лавины и поглощения заряженных частиц электродами в результате актов вторичной ионизации появится новый свободный электрон (вторичная и фотоэлектронная эмиссия с катода, фотоионизация в объеме газа), то процесс будет самоподдерживающимся; такой разряд называют самостоятельным разрядом. Для изоляционного промежутка с однородным электрическим полем это означает пробой промежутка.

Пробивное напряжение газового промежутка с однородным (ОП) и слабонеоднородным (СНП) электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с ОП и СНП определяется произведением относительной плотности газа δ на расстояние между электродами S, U _р= f (δS). Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20^оС, 760 мм рт. ст.).

(при этом давление р - в мм. рт. ст.);

Первоначально закон был сформулирован для зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами и давления газа. При постоянстве температуры обе зависимости аналогичны. Характер зависимости показан на рис. 1.

pS, мм рт.ст*см

Рис. 1. Вид зависимости закона Пашена для воздушного промежутка с однородным электрическим полем

Значение (pS)* для нормальной температуры равно 0.57 см·мм рт. ст., так что нормальные давления соответствуют области в правом верхнем углу рис. 1. В этой области зависимость U _пр= f (δS) для воздуха хорошо аппроксимируется выражением

, U _пр– в киловольтах, S в сантиметрах.

При давлении близком к атмосферному минимальное разрядное напряжение соответствует весьма малым расстояниям между электродами (для воздуха порядка 8*10^-4 см). Такие малые воздушные промежутки в практических конструкциях создать невозможно. Часть кривой левее точки минимума представляет интерес при пониженных давлениях газа (вакуумная внутренняя изоляция).

4. Особенности пробоя газового промежутка с резконеоднородным электрическим полем.

В промежутке типа стержень – плоскость (СП) напряженность электрического поля у острия существенно больше средней напряженности поля в промежутке. При сравнительно небольшой средней напряженности поля у острия напряженность настолько велика, что там может происходить ударная ионизация с развитием электронных лавин и образованием проводящих каналов – стримеров. Обладающие большой подвижностью отрицательные свободные электроны ответственны за образование новых заряженных частиц, а остающиеся после ионизации малоподвижные положительные ионы меняют распределение электрического поля в промежутке. Поскольку ионизация начинается всегда у острия, то при его положительной полярности положительный объемный заряд (ПОЗ) экранирует острие и затрудняет развитие ионизационных процессов вблизи острия, облегчая в то же время развитие разряда в оставшемся промежутке между ПОЗ и отрицательной плоскостью. При отрицательном острие ПОЗ вблизи него резко интенсифицирует ионизацию вблизи острия, затрудняя развитие разряда в промежутке ПОЗ – положительная плоскость. Перечисленные факторы определяют основные отличия закономерностей пробоя промежутка СП от промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, которые сводятся к следующему:

• электрическая прочность промежутка СП существенно меньше электрической прочности промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем; так, при нормальных условиях электрическая прочность воздуха при расстояниях между электродами порядка десятков сантиметров составляет примерно 30 кВ/см для однородного поля и снижается до единиц киловольт на сантиметр для промежутка СП;

• при сравнительно небольших напряженностях электрического поля в промежутке СП наблюдается явление короны, то есть самостоятельного электрического разряда вблизи стержня, сопровождающегося свечением и потрескиванием, при котором только часть промежутка становится проводящей, а промежуток в целом сохраняет изоляционные свойства;

• напряжение начала короны зависит от полярности стержня; при отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном острие;

• эффект полярности наблюдается и при пробое промежутка СП: при положительном стержне напряжение пробоя в 2 – 2.5 раза меньше, чем при отрицательном стержне.