Газообразные диэлектрики. Ионизация газов

Лекция 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ

ТВН – это отрасль энергетики, занимающаяся:

- Изучением процессов, происходящих в изоляции при воздействии высоких напряжений.

- Разработкой методов контроля и испытания изоляции высоковольтного оборудования.

- Разработкой конструкций электроаппаратов и изоляционных устройств в высоковольтных электроустановок.

- Изучением перенапряжений, вызывающих их причин и методов защиты от перенапряжений.

К газообразным диэлектрикам относятся: воздух, водород, элегаз и др. инертные газы. Нас интересует вопрос – почему газы при определенных условиях теряют свою электрическую прочность и от чего это зависит?

Воздух и другие газы в той или иной степени присутствуют в любой электроизоляционной конструкции: шины РУ, провода ЛЭП, выводы трансформаторов и других аппаратов изолированных друг от друга воздушными промежутками, где воздух единственное изолирующее вещество. Опорные и подвесные изоляторы также находятся в воздушной среде. Воздух и другие газы используют в качестве одного из изоляционных материалов в кабелях, конденсаторах и прочих электроаппаратах.

Нарушение электрической прочности изоляторов может произойти путем пробоя твердого диэлектрика, так и путем развития разряда по поверхности изолятора. Так как пробой диэлектрика приводит к полному выходу из строя изолятора, а перекрытие по поверхности в большинстве случаев не приносит изолятору особого вреда, то напряжение пробоя изолятора всегда стараются сделать больше напряжения перекрытия по поверхности. Поэтому, фактическая электрическая прочность многих электрических конструкций определяется электрической прочностью воздуха, значение которого приобретает принципиально большое значение.

Основным недостатком газовой изоляции является ее недостаточная электрическая прочность. Так, слой воздуха в 0,5 см толщиной выдерживает напряжение 15-17 кВ, в то время как такой же слой трансформаторного масла около 150 кВ. Однако, при повышении давления газа его электрическая прочность возрастает. При давлении в 15 атм слой воздуха в 0,5 см выдерживает напряжение в 190 кВ. Электрическая прочность воздуха очень сильно возрастает при глубоком вакууме. В нормальном неионизированном состоянии газы являются практически идеальными диэлектриками. Но при определенной напряженности электрического поля диэлектрические свойства газа нарушаются, вследствие процесса ионизации.

Ионизацией называется процесс появления в газовой среде положительно или отрицательно заряженных частиц. Для того чтобы ионизировать молекулу газа, т.е. удалить из нее один электрон, необходимо затратить энергию которая называется энергией ионизации W_И. Ее измеряют в электронвольтах. Энергия в 1 эв равна кинетической энергии, которую приобретает электрон при свободном движении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов в 1В. Минимальное значение разности потенциалов, которое необходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость для ионизации, называют потенциал ионизации. Если молекуле газа сообщается энергия меньшая энергии ионизации, то внешний электрон не покидая пределов молекулы может перейти на другой более высокий уровень. Такой процесс называется возбуждением. Молекула в возбужденном состоянии может находиться недолго, порядка 10^-10 с, после чего она самопроизвольно переходит в нормальное состояние, а затраченная на возбуждение энергия выделяется в виде квантов света.

Электрическим пробоем изоляции называют явление потери изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением на изоляции критического значения. Это значение напряжения называют пробивным напряжением изоляции U _пр.

Электрическим пробоем диэлектрика называется явление потери диэлектриком изоляционных свойств при превышении напряженностью электрического поля критического значения. Электрической прочностью диэлектрика E _пр называют среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем, поскольку проще всего измерять и оценивать именно эту величину:

S – расстояние между электродами.

Атомы и молекулы диэлектрика характеризуются очень сильной связью между собой заряженных частиц, так что в обычном состоянии все заряженные частицы связаны, взаимно компенсируют друг друга и перемещения заряженных частиц на расстояния, сопоставимые с расстоянием между электродами, не происходит. При пробое происходит освобождение заряженных частиц, которые направленно перемещаются под действием сил электрического поля, создавая электрический ток.

Наиболее изученным является пробой газовых промежутков; механизмы пробоя жидких и твердых диэлектриков отличаются большим разнообразием и значительно более сложны. В то же время именно газовая изоляция (воздух) является основным видом изоляции в электроустановках и изучение поведения ее в электрических полях большой напряженности имеет первостепенное значение.

Электрическая прочность газового промежутка зависит как от расстояния между электродами, так и – в равной степени – от давления и температуры газа. Очень сильно на электрическую прочность изоляционного промежутка – и не только газового промежутка – влияет форма электродов. Кроме того, электрическая прочность сложным образом зависит от скорости нарастания напряжения, определяя возможности пробоя изоляционного промежутка от длительности приложенного напряжения.

По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:

- изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (СНП);

- изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП).

Количественной характеристикой степени однородности поля является коэффициент неоднородности , представляющий собой отношение максимального значения напряженности электрического поля в изоляционном промежутке к среднему значению напряженности электрического поля.

К промежуткам с СНП относятся промежутки, у которых ; это промежутки с электродами типа плоскость – плоскость с закругленными краями или промежутки с электродами типа шар – шар, если радиусы шаров много больше расстояния между их поверхностями.

К промежуткам с РНП относят промежутки, имеющие . Наиболее резко выраженными изоляционными промежутками этого типа являются промежутки с электродами стержень – плоскость.