Пробой газообразных диэлектриков

 

Газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике: высоковольтные выключатели, газонаполненные конденсаторы, распределительные устройства электростанций. В ряде случаях присутствие газообразных диэлектриков становится неизбежным. В линиях электропередачи высокого напряжения, в электроизоляционных узлах трансформаторов воздух является основной изолирующей средой.

Электрическая прочность газообразных диэлектриков по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками невелика. Но и газы обладают характерными ценными свойствами:

1 Восстановление электрической прочности после разряда.

2 Малая плотность (ρ_{воздуха}=1,29 кг/м³, ρ_азота=1,25кг/м³, ρ_{элегаза}=6,7кг/м³)

3 Высокое значение удельного сопротивления ρ = 10¹⁸ – 10²⁰Ом^.м.

4 Низкое значение диэлектрической проницаемости.

e		р=0.1 МПа	р=2 МПа	р=10 МПа
	Воздух	1.00058	1.0108	1.0549
	Азот	1.00058	1.0109	1.055
	Элегаз	1.0021	1.0622	–

5. Малый угол диэлектрических потерь tg δ ≈ 10^-6.

6. Отсутствие старения.

Газообразные диэлектрики обладают высокими электроизоляционными свойствами только при низких напряжениях. Изолирующие свойства газа объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными, незаряженными частицами. Под действием внешних ионизаторов (космические и солнечные лучи, радиоактивные излучения) во всех газах имеется небольшое количество электрически заряженных частиц – электронов и ионов, находящихся в хаотичном тепловом движении, т.е. происходит процесс ионизации газа. Под действием внешнего электрического поля происходят упругие деформации электронных оболочек атомов и смещение их относительно своих ядер. Если молекула газа имеет ионную структуру строения, то происходит также смещение ионов относительно друг друга. В результате происходят электронные и ионные поляризации. Если же газ состоит из дипольных молекул, то происходит и дипольная поляризация. Степень поляризации атомов и молекул газа характеризуется диэлектрической проницаемостью ε. Большинство газообразных диэлектриков, применяемых в электротехнике, неполярные и их диэлектрическая проницаемость ε ≈1.

Ионизация газа приводит к тому, что газ приобретает небольшую электрическую проводимость. Одновременно с ионизацией газа происходит и рекомбинация положительных и отрицательных ионов с образованием нейтральных молекул и атомов. При малой напряженности электрического поля сохраняется баланс между процессом ионизации и рекомбинации.

 

Рисунок 2 – Зависимость

тока от напряжения,

приложенного к объему

газа.

 

Вольт-амперная характеристика показывает, что в области слабых электрических полей ток в газе возрастает пропорционально приложенному напряжению и здесь соблюдается закон Ома. На рисунке 2 это соответствует участку ОА. Особенность этого участка заключается в том, что наряду с ионизацией в газе происходит рекомбинация, возникающая вследствие объединения положительных ионов и электронов, совершающих хаотическое непрерывное тепловое движение. В результате рекомбинации образуются нейтральные молекулы газа. Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около 10^-15 См/м.

С дальнейшим ростом напряжения пропорциональность между током и напряжением разрушается. Ток начинает расти медленнее, чем напряжение, и вольтамперная характеристика начинает загибаться (участок АВ на рисунке 2). Увеличение напряжения приводит к тому, что при достижении некоторого его значения ток проводимости перестает зависеть от напряжения. Наступает насыщение тока, что соответствует горизонтальной части ВС рисунка 2. На этом участке все заряженные частицы, которые образуются в диэлектрике под действием внешних ионизаторов, уносятся электрическим полем к электродам, не рекомбинируя. Ток, протекающий в диэлектрике, достигает своего насыщения. Ток насыщения зависит от расстояния между электродами в конденсаторе.

Кривая ОС на вольтамперной характеристике соответствует несамостоятельному разряду. Для своего поддержания несамостоятельный разряд требует постоянного образования в разрядном промежутке заряженных частиц под действием внешних факторов. Ионизация газа происходит, в основном, за счет электронов, так как положительные ионы обладают меньшей подвижностью.

При дальнейшем увеличении напряжения скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят их частые соударения с нейтральными частицами газа. В результате электроны отделяются от своих атомов и образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы. Этот процесс называется ударной ионизацией (участок СЕ) и приводит к пробою газа. В процессе ударной ионизации начальные электроны, возникшие в результате действия внешних факторов, участвуют в дальнейшем процессе ионизации, создавая новые электроны.

В результате возникает первичная электронная лавина, которая со скоростью 10⁵ м/с перемещается к аноду. На пути следования лавины образуется канал, состоящий из электронов и положительных ионов, плотность зарядов в которой быстро растёт и достигает своего максимума в головке лавины у анода. С увеличением напряжения несамостоятельный разряд переходит в самостоятельный. Самостоятельный разряд может существовать при отсутствии внешних ионизаторов. Увеличение концентрации ионов и электронов происходит при этом за счёт новых элементарных процессов, связанных с самим разрядом.

В одних видах разряда электронные лавины создают электроны благодаря ударам положительных ионов о катод. В зависимости от давления газа, сопротивления внешней цепи, степени неоднородности электрического поля и ряда других факторов, возможны различные формы разряда.

Пробой в воздухе при наличии в нем однородного электрического поля, при нормальном атмосферном давлении, больших расстояниях между электродами, но маломощном источнике тока, происходит в виде искры. При этом виде разряда отдельные электронные лавины сливаются и образуют сплошной канал. Более подвижные электроны быстрее перемещаются к аноду, поэтому канал в основном состоит из положительных ионов и его называют стримером. Стример перемещается к катоду со скоростью 10⁶ м/с. Когда стример достигает катода, и электропроводящий плазменный канал замыкает разрядный промежуток, происходит образование главного канала искры. Пробивным напряжением газа является напряжение, при котором происходит искровой разряд. Если мощность источника напряжения достаточна, то искровой разряд может перейти в дуговой.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном поле. Неоднородное поле образуется между остриём и плоскостью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними больше радиуса сферы.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле происходит при меньшем напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Вначале наступает неполное электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом, так как у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При повышении напряжения возникает разряд в виде короны. При дальнейшем повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточной мощности источника – в дуговой.

В однородном электрическом поле при T=const пробой газообразного диэлектрика выражается следующей формулой:

U_пр=Aph               (2)

где U_пр = пробивное напряжение слоя газа, В;

            р – давление газа

            h – расстояние между электродами, м;

           А – коэффициент.

На рисунке3 показаны зависимости пробивного напряжения различных газов от произведения давления на расстояние между электродами.

 

 

Рисунок 3 – Зависимость пробивного напряжения различных газов от произведения давления на расстояния между электродами

1 Воздух

2 Водород

3 Неон

Электрическая прочность газа зависит от его природы, строения его молекулы. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности, т.е. от давления при t = const: поэтому для расчета пробивного напряжения воздуха применяется формула

U_пр U_{про *}δ                                   (3)

где U_пр – пробивное напряжение при данной температуре и давлении;

            U_про – пробивное напряжение при нормальных условиях;

            δ – относительная плотность воздуха.

Относительная плотность рассчитывается по формуле:

                                             Р

δ=0,386 ---------                       (4)

                  t + 273

где t – температура, ^оС;

           Р – давление, мм. рт. ст.

Из рисунка 3 видно, что пробивное напряжение увеличивается с ростом его давления и с увеличением слоя между электродами. При больших давлениях расстояние между отдельными молекулами становится меньше, уменьшается длина свободного пробега электронов и добавочная энергия заряженных частиц, необходимая для ионизации, может быть получена при увеличении напряженности поля. С уменьшением давления и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается до минимума (для воздуха U_пр=280 В), а затем снова начинает возрастать в области разреженного газа. Это объясняется тем, что в области разреженного газа резко уменьшается количество атомов и молекул, являющихся объектами ионизации, а значит, процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях.

Рисунок 4 – Зависимость пробивного напряжения воздуха между острием и плоскостью при различной полярности острия.

В неоднородном поле пробой газа зависит от полярности электродов. При положительно заряженном острие и отрицательно заряженной плоскости пробивное напряжение будет меньше, чем при отрицательно заряженном острие. Расстояние между электродами в обоих случаях остается неизменным.

Такая зависимость объясняется тем, что около острия накапливаются положительно заряженные ионы и распространяются в направлении отрицательно заряженной плоскости. В этом случае, острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. Для повышения пробивного напряжения газообразного диэлектрика и во избежание возникновения электрической короны, острые края электродов необходимо закруглить.

Изменение E_пр воздуха в однородном поле при изменении расстояния h между электродами показано на рисунке 5

   

Рисунок 5 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле при нормальных условиях ±50 Гц., t = 20^оС, р ≈ 0,1 мПа.

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности воздуха. Это объясняется тем, что развитие процессов ионизации затрудняется из-за малой общей длины свободного пробега электронов. Так как процесс пробоя газа происходит очень быстро, то значение электрической прочности (или пробивного напряжения газового промежутка) при переменном напряжении определяется амплитудным значением:

U_{пр м} = √ 2 U_пр.р                                         (5)

где U_{пр м} – амплитудное значение напряжения, В;

  U_пр.р – действующее значение напряжения, В.

На практике случаются случаи пробоя газа на границе с твердым диэлектриком. Рассматриваемый пример можно представить в виде плоского двухслойного конденсатора с разной толщиной слоя и относительной диэлектрической проницаемостью. Так как газы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость ε и меньшую электрическую прочность, они оказываются в невыгодном положении. Слои диэлектриков с большей диэлектрической проницаемостью ε стремятся разгрузиться и переложить часть электрического напряжения на слои с меньшей ε. Пробивное напряжение воздуха на границе с твердым диэлектриком будет меньше по сравнению с пробивным напряжением для того же расстояния в газе при отсутствии твердого диэлектрика (см. рисунок 6).

Рисунок 6 – Зависимость напряжения перекрытия в

воздухе от расстояния для различных материалов

 в сравнении с пробивным напряжением

соответствующего воздушного промежутка.

Однородное поле, f-50 Гц

1- пробой воздушного промежутка

2- парафин

3- фарфор

4- фарфор, стекло при плохом контакте

Так как электрическая прочность воздуха невелика, то для повышения газовой изоляции применяются высокопрочные сжатые газы, например элегаз. Основные характеристики элегаза (Se F₆): плотность – 6700 кг/м3 при t = 0 ⁰C и p = 0,1 МПа; диэлектрическая проницаемость ε = 1,0021 при p = 0,1 МПа; электрическая прочность E_пр = 7,2 МВ/м.

Кроме высокой электрической прочности элегаз обладает более высокой дугогасящей способностью. Благодаря своим свойствам элегаз используется в выключателях, в высоковольтных кабелях, распределительных устройствах.