Описание лабораторной установки

ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЗДУХА

 

Цель работы

Экспериментальное исследование влияния характера распределения электрического поля на электроизоляционные свойства воздуха.

 

Исходные сведения

В электрических и электронных устройствах газы часто используются в качестве электроизолирующей среды. Воздух образует внешнюю изоляцию электроизоляционных конструкций, эксплуатируемых в атмосферной среде. Изоляционные промежутки между электродами, заполненные твердым, жидким диэлектриком, и различными газами являются внутренней изоляцией. Рассмотрим природу электроизоляционных свойств газов.

При малой напряженности поля газы, и в частности воздух, являются хорошими (почти идеальными) диэлектриками. Это объясняется тем, что газ состоит в основном из нейтральных молекул, которые не участвуют в процессе электропроводности. Тем не менее сопротивление газового промежутка не бесконечно из-за наличия небольшого количества свободных зарядов электронов и ионов, которые возникают в результате ионизации атомов и молекул газа внешними ионизирующими факторами (солнечная и космическая радиация, фоновое рентгеновское излучение Земли и др.). Под действием естественных ионизирующих факторов в воздухе создается концентрация свободных носителей заряда в пределах до 10^-9м^-3, при этом его удельное сопротивление достигает 10²⁰ Ом·м.

При повышенной напряженности поля (напряжение, приложенное к газовому промежутку, достигает некоторого начального уровня U ₀) наблюдаются кратковременные импульсы тока, амплитуда которых по мере увеличения напряжения быстро возрастает. При достижении напряжения, равного значению U _пр, возникает пробой газового промежутка с образованием проводящего канала в виде искры или электрической дуги. Процессы, происходящие в газовом промежутке при напряжениях U>U ₀, называются разрядными процессами и связаны с появлением в газовом промежутке большого количества свободных зарядов.

Электроизоляционные свойства газов существенно зависят от особенностей строения их молекул, давления и температуры, характера распределения электрического поля, материала и состояния поверхности электродов. В различных электронных и электротехнических устройствах расстояние между электродами может находиться в пределах от долей миллиметра до десяти и более метров, а давление – в пределах от 10^-5 до 10⁶ Па. В зависимости от уровня приложенного напряжения, а также от свойств газа и характера распределения электрического поля могут происходить различные виды разрядных процессов, отличающихся интенсивностью, пространственно-временными и другими параметрами.

Если электрон встречается с частицей газа, то, в зависимости от уровня этой энергии и условий взаимодействия, между ними возможны следующие основные события – физические процессы:

рекомбинация частиц газа присоединением положительных и отрицательных ионов, электронов;

захват электрона молекулой газа с образованием отрицательного иона;

диссоциация молекул газа;

переход молекулы газа в возбужденное состояние с последующим излучением избыточной энергии в виде фотона;

ударная ионизация молекулы при столкновении электрона с ней.

Способностью захвата электрона обладают некоторые так называемые электроотрицательные газы (кислород, элегаз и др.). В результате ионизации количество свободных электронов, движущихся под действием электрического поля, нарастает лавинообразно, и возникающее при этом движение заряженных частиц создает импульс тока через газовую среду.

Численное значение коэффициента захвата η равно обратному значению средней длины пути, пройденного электроном под действием электрического поля до его захвата молекулой газа. Это значение определяется энергией сродства атомов газа с электроном и слабо зависит от Е /δ, где δ=(Р/Р ₀)/(Т/Т ₀).

Экспериментально найдено, что для сухого воздуха α=η≈5 (1/см), при Е /δ = 23,6 кВ/см и α > η при Е /δ > 23,6 кВ/см; для элегаза α = η ≈ 790 (1/см) при Е /δ = 89 кВ/см.

Теория ударной ионизации, впервые разработанная английским ученым Таунсендом, лежит в основе теоретических моделей процессов газового разряда. В соответствии с этой теорией электрон, совершая дрейфовое движение под действием электрического поля, приобретает кинетическую энергию W=Eq λ, где q и λ – заряд и длина свободного пробега электрона, Е – напряженность электрического поля. Ударная ионизация возможна, если W>W _И, где W _И – энергия ионизации частицы газа. Значения энергии ионизации молекул основных газовых компонентов воздуха находятся в пределах от 12,2 до 15,4‍эВ; молекул элегаза – 15,8 эВ, а молекул гелия – 24,6‍эВ.

Одиночная лавина в пространстве занимает область, подобную падающей капле жидкости. Скорость движения электронов в головке лавины имеет порядок 10⁵ м/с. Количество электронов, образующихся в лавине длиной L _л, определяется выражением

,

где х – координата, направленная вдоль силовой линии электрического поля и отсчитываемая от точки начала образования лавины; α_Э – эффективный коэффициент ионизации (α_Э(х) =α(х) -η(х), где α(х) и η(х) – коэффициенты ионизации и захвата электронов). Значения этих коэффициентов определяются особенностями строения молекул газа, напряженностью электрического поля, температурой (Т) и давлением (Р) газа.

Образование лавины электронов, вследствие ударной ионизации в некоторой области возможно, если в этой области напряженность электрического поля становится больше начального уровня Е ₀, когда выполняется условие α_Э(х)>0. Обозначим через α коэффициент ионизации, равный среднему числу ионизаций, осуществляемых одним электроном при прохождении им пути единичной длины под действием электрического поля. Таунсендом теоретически получено уравнение

,

где А и В – параметры, зависящие от состава газа и температуры. Для воздуха при 0,05В/(см Па)<(Е/Р)<1,5 В/(см Па) эта формула достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными. В этом случае А =0,071‍В/(см∙Па), В =0,384‍В/(см∙Па).

При низких давлениях (ниже атмосферного) и малых расстояниях (до 2 см) развитие пробоя газа идет за счет лавинного механизма. В соответствии с теорией Таунсенда пробой газового промежутка наступает тогда, когда приложенное напряжение становится больше некоторого значения U _пр, при котором начинает выполняться условие самостоятельности разряда: γ М >1, где М –число положительных ионов, образовавшихся в лавине, M=N -1; γ – коэффициент вторичной ионизации. Численное значение γ равно вероятности того, что любой из образовавшихся в первичной лавине положительных ионов, дойдя до катода, «выбьет» из него электрон, способный инициировать вторичную лавину.

Значение γ зависит от материала электродов и от напряженности электрического поля. Из указанных выше соотношений для N и α следует, что в равномерном поле с учетом L _л =L условие самостоятельности разряда при лавинном пробое принимает вид α L>C, где L –длина газового промежутка; С =ln(1+1/γ). Тогда, считая что α_э≈α, можно получить

 

U _пр= BPL /ln(APL/C).

График этой функции имеет вид U – образной кривой. Если считать, что А,В = const, то минимальное значение U ^* достигается при (PL)^* = еС/А, где е – основание натурального логарифма. При значениях (PL), близких к (PL)^* характер изменения этой функции достаточно хорошо согласуется с экспериментальным законом Пашена, в соответствии с которым U _пр является функцией произведения PL. Для воздуха PL ≈ 76‍Па·см, U^* _пр≈327‍В.

Простейшая теория пробоя Таунсенда не учитывает влияния объемного заряда положительных ионов, имеющих значительно меньшую, чем электроны, подвижность и поэтому в течение некоторого времени остаются в межэлектродном пространстве после быстрого ухода электронов лавины на анод. Электрическое поле этого объемного заряда изменяет исходную картину распределения электрического поля. Влияние этого фактора было исследовано Роговским [3], Ретером [4] и др.

Существенное отличие экспериментальных зависимостей U _пр (PL) от формулы Таунсенда и отклонение от закона Пашена при больших значениях РL (для воздуха – при PL >0,025 МПа·см) объясняется переходом лавинного механизма развития пробоя в стримерный. Этот процесс возникает, когда в первичной лавине создается большое количество положительных ионов (М >10⁸) и напряженность электрического поля в этой области резко возрастает. При этом образование вторичных лавин происходит по следу первичной лавины, т.е. электроны вторичной лавины движутся к положительно заряженной области первичной. В результате столкновений электронов с ионами происходит интенсивное возбуждение их и испускание большого количества фотонов. В объеме газа начинается фотоионизация. Если первичная лавина доходит до анода, то формирование стримера – тонкого плазменного канала – начинается от катода к аноду. Скорость движения фронта стримера (по результатам измерений, полученных в камере Вильсона) составляет порядка 10⁶ м/с, что более чем на порядок выше скорости движения головки лавины. При приближении фронта стримера к поверхности катода возникает волна скачкообразного изменения напряженности электрического поля, которая со скоростью порядка 10⁷ м/с распространяется вдоль канала стримера, резко увеличивая его проводимость. Процесс завершается образованием искрового канала пробоя.

Время развития стримерного пробоя соизмеримо со временем формирования достаточно мощной первичной лавины. Это время существенно меньше времени развития лавинного пробоя.

Теоретические модели стримерного пробоя были разработаны Лебом, Миком, Ретером [3]. В соответствии с теорией Мика переход лавины в стример происходит тогда, когда напряженность электрического поля, создаваемая зарядом головки лавины, достигнет напряженности внешнего поля. Напряженность поля пространственного заряда определялась как поле сферического заряда с радиусом, равным радиусу головки лавины. Исходя из этого, для равномерного электрического поля было получено уравнение вида

,

где U _пр =E_прL.

Отсюда можно найти U_пр, с учетом функциональной зависимости α от Е/Р.

При δ ≈ 1 экспериментально найденное значение параметра А для воздуха при Т≈Т ₀ равно 4,56∙10^-8 В/(см∙Па).

В неравномерном электрическом поле процесс формирования стримера может происходить и при U<U_пр, если в области повышенной напряженности электрического поля выполняется условие

.

Удлинение канала стримера в область более слабого поля происходит до тех пор, пока обеспечиваются условия его существования. Достигнув некоторой длины L_С<L, стример исчезает. Затем, в разные моменты времени, возникают последующие стримеры. По мере дальнейшего увеличения приложенного напряжения средняя длина стримеров быстро растет. При напряжении пробоя U _пр длина стримера становится равной расстоянию между электродами. При этом создается искровой канал разряда, который при достаточной мощности источника напряжения переходит в дуговой разряд.

Существующие математические модели газового разряда недостаточно полно отражают реальные процессы. Они позволяют оценить только характер влияния различных факторов на разрядные напряжения. Количественные значения этих напряжений определяются на основе полуэмпирических или эмпирических математических моделей.

Напряжение пробоя воздуха в равномерном поле гладких электродов при 0,l< L <12 см, когда значения Р и Т немного отличаются от Р ₀ и Т ₀, определяется полуэмпирической формулой [2],кВ:

.

В неоднородном поле газообразная изоляция характеризуется напряжениями появления коронного (U _К), стримерного (U _С) разрядов и пробоя (U _пр), причем U _К< U _С< U _пр. По мере увеличения степени неоднородности поля электрическая прочность имеет тенденцию к уменьшению, а значения U _К, U _С, U _пр все больше отличаются друг от друга по величине. При коронной стадии разряда происходит интенсивный процесс образования лавин в области наибольшего значения напряженности электрического поля. В этой области возникает слабое, равномерно распределенное по объему, свечение газа. Стримерная стадия сопровождается появлением ярко светящихся тонких следов стримеров.

Область наибольшего значения напряженности электрического поля находится около электрода с наименьшим радиусом кривизны поверхности. Напряженность поля, при которой возникает коронный разряд в воздухе около электрода с радиусом кривизны поверхности r _‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍> _‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍1‍см, определяется эмпирической формулой [3].

где К _ф и К _ш – соответственно коэффициенты формы и шероховатости поверхности электрода, К _ф =0,76 – для сферы и К _{ф ‍‍‍}‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍=0,62 – для цилиндра, К _ш<1.

Вид зависимости U _пр от расстояния L между электродами в неоднородном поле определяется характером распределения электрического поля в газовом промежутке. В изоляционных конструкциях наиболее часто встречаются электроды типов: «игла–игла», «игла–плоскость», «цилиндр–цилиндр», «цилиндр–плоскость», «сфера–сфера», «сфера–плоскость». Зависимости U _пр(L) в этих случаях имеют вид монотонно возрастающих функций с убывающей крутизной нарастания, т.е.среднее значение электрической прочности Е _{пр ‍‍‍}‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍= ‍‍ U _{пр ‍‍‍}/ ‍ L по мере увеличения L убывает тем быстрее, чем выше степень неоднородности электрического поля.

Электрическая прочность газового промежутка между электродами «игла–плоскость» зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности иглы U _пр больше, чем при положительной. Это объясняется влиянием объемного заряда положительно заряженных ионов на характер распределения электрического поля.

На процессы газового разряда вдоль поверхности твердой изоляции определенное влияние оказывает природа диэлектрика, изменяющего характер распределения электрического поля и адсорбирующего на поверхности ионы газа и молекулы влаги. По характеру распределения поля изоляционные конструкции можно отнести к двум типам. К первому из них относится конструкция типа опорного изолятора, а ко второму – типа проходного изолятора (рис.3.1).

 

Рис.3.1. Конструкции изолятора: а – опорного; б – проходного:

1 и 2 – электроды; 3 – диэлектрик

В первом случае (а) нормальная к поверхности изолятора составляющая напряженности Е_n электрического поля значительно меньше ее касательной составляющей E_t. При этом напряжение перекрытия U _пер, при котором происходит пробой газа вдоль поверхности диэлектрика, получается несколько меньше, чем напряжение пробоя U _пр этого промежутка при отсутствии диэлектрика, т.е. U _пер(L)< U _пр(L). Причем чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем сильнее это неравенство. Во втором случае (б) диэлектрик является барьером между электродами и E_n>E_t. Напряжения начала коронных разрядов – U _К,скользящих разрядов – U _ск и перекрытия U _пер определяются геометрическими факторами h и L и диэлектрической проницаемостью твердого диэлектрика:

 

 

где А, α, β, – коэффициенты, зависящие от геометрических параметров электродов, вида воздействующих напряжений и диапазона значений h и L. По данным М.И. Мантрова [5], на переменном токе частотой 50 Гц для действующего значения напряжения, выраженного в киловольтах, при h <4 см, L <40 см эти коэффициенты равны:

А _к≈10; А _пер≈67; А _ск≈90; α_к=α_ск≈0,45; α_пер≈0,4; β_пер≈0,2

 

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки показана на рис.3.2. Схема состоит из блока коммутации (БК), блока регулирования напряжения (БРН), высоковольтного трансформатора (Т2).

 

 

Рис.3.2. Электрическая схема лабораторной установки

 

Высокое напряжение со вторичной обмотки высоковольтного трансформатора Т2 подается на блок электродов БЭ, расположенных внутри защитного ограждения ЗО. Блок БК обеспечивает подключение БРН к промышленной сети питания (220В, 50 Гц) через контакты К1 и К2 магнитного пускателя К, включение и выключение которого осуществляется кнопками «Пуск» (S1) и «Стоп» (S2). На обмотку магнитного пускателя напряжение подается через блок-контакт SQ, механически связанный с дверцей защитного ограждения. Блок БРН состоит из автотрансформатора Т1, вольтметра PV, автоматического выключателя SF. Напряжение между испытательными электродами определяется по показанию вольтметра PV с учетом коэффициента трансформации трансформатора Т2. Выключатель SF служит для защиты этого трансформатора от перегрузки по току при пробое газового промежутка между электродами. Блок БЭ состоит из приспособления для закрепления электродов, подвода к ним испытательного напряжения и изменения расстояния между ними.