Электроснабжение. Изоляция и перенапряжения (стр. 3 )

Развитие разряда в промежутках с однородным электрическим полем происходит за время, значительно меньшее, чем полупериод переменного напряжения частотой 50 Гц. Поэтому разрядные напряжения воздушных промежутков при постоянном и переменном напряжениях практически одинаковы. В начальный момент развития разряда возникает лавина электронов, движущаяся по направлению к аноду. При этом электрическое поле в промежутке искажается, усиливаясь на фронте лавины. После завершения лавинного процесса и достижения первичной и вторичной лавинами анода на нем возникает канал разряда – стример. В промежутке «стример – анод» поле усиливается, что приводит к появлению многочисленных новых лавин, и стример со скоростью 108 см/с распространяется по направлению к катоду. Далее стример замыкает промежуток между электродами, ток в цепи «источник питания – канал разряда» резко возрастает, канал разряда ярко светится [4, с. 58].

Зависимость значений разрядных напряжений от длины промежутков и давления газа определяется на основе условия самостоятельности разряда

γ exp(αL) ≥1, (2.1)

где α – коэффициент ударной ионизации, γ – коэффициент вторичной ионизации, L – расстояние между электродами. Зависимость U = f(pL) определяется законом Пашена: при неизменной температуре пробивное напряжение газа в промежутке с однородным полем является функцией произведения давления на расстояние между электродами.

Если обкладки конденсатора совпадают с эквипотенциальными поверхностями, то очевидно, что напряженность поля максимальна в середине конденсатора. Там поле будет весьма близким к однородному с напряженностью U/d (d – расстояние между обкладками конденсатора). Если линейные размеры обкладок достаточно велики по сравнению с расстоянием между ними, при исследовании пробоя электроды дают наиболее однородное поле. Такие электроды называются электродами Роговского, конденсатор с такими электродами изображен на рис. 2.2.

Р и с. 2.2. Электрическое поле в конденсаторе Роговского

На практике не всегда удобно пользоваться электродами столь сложной формы, поэтому измеряют пробивное напряжение, применяя в качестве электродов две сферы, радиусы которых много больше расстояния между ними. В этом случае при условии, что пробой действительно происходит в месте минимального расстояния, поле можно считать приближенно однородным. В слабонеоднородном поле при расстояниях между электродами от 1 до 10 см и нормальных условиях окружающей среды электрическая прочность воздуха составляет Епр ≈ 30 кВ/см [3].

Развитие разряда в промежутке с неоднородным электрическим полем. В резконеоднородных полях αэф > 0 в узкой зоне около электрода с высокой кривизной (малыми радиусами, см. рис. 2.1) и при выполнении условия самостоятельности разряда около данного электрода возникает коронный разряд, или корона. Это означает, что ионизационные процессы концентрируются в этой зоне и создают характерное свечение. В данном случае начальное напряжение, т. е. напряжение, при котором выполняются условия самостоятельности разряда, соответствуют напряжению возникновения коронного разряда. Однако пробой коронирующего промежутка происходит при напряжении, которое может быть значительно больше начального, но существенно меньшим, чем при аналогичном расстоянии в однородном поле.

Например, в неоднородном поле (стержень – плоскость) при отрицательной полярности электрода с меньшим радиусом (стержень) пробивное напряжение существенно больше, чем при положительной полярности. При положительной полярности стержня подвижные электроны легко уходят из зоны разряда на электрод, а остающийся положительный объемный заряд усиливает напряженность электрического поля во внешней части промежутка, способствуя дальнейшему развитию разряда. При отрицательной полярности стержня, наоборот, малоподвижный положительный объемный заряд уменьшает напряженность поля во внешней части промежутка, и для развития разряда требуется значительно большее напряжение. Средние значения разрядной напряженности при положительной полярности стержня составляют 4,5 кВ/см, а при отрицательной – примерно 10 кВ/см, что в 3-5 раз меньше, чем при разрядах в однородном поле [4, с. 66-67].

Первоначально в промежутке образуются лавины, наиболее мощная лавина практически сразу преобразуется в стример. С ростом приложенного к промежутку напряжения длина стримера увеличивается, и при приближении к плоскости напряженность в непробитой части промежутка возрастает еще больше. Большая напряженность поля приводит к распространению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню. Этот процесс, сопровождающийся яркой вспышкой канала при прохождении по нему импульса большого тока, называется главным разрядом [4, с. 68].

При переменном напряжении частотой 50 Гц наиболее низким пробивным напряжением обладает промежуток «стержень – плоскость». Разрядные напряжения при 50 Гц несколько ниже, чем при постоянном напряжении с положительной полярностью стержня. Объясняется это некоторым усилением электрического поля у стержня за счет зарядов, оставшихся в промежутке между электродами от предыдущего полупериода напряжения.

Промежуток между электродами «стержень – стержень» имеет более высокую прочность, поскольку электрическое поле в нем несколько более равномерно по сравнению с промежутком между электродами «стержень – плоскость» [4, с. 69].

Теоретический расчет разрядных напряжений с учетом физики пробоя затрудняется сложностью процессов газового разряда, поэтому для оценки разрядных напряжений широко применяются эмпирические формулы. Получение эмпирических формул затруднено сложностью проведения эксперимента на высоких напряжениях, которые составляют порой десятки и даже сотни киловольт, а также значительным разбросом результатов экспериментов. Указанные факторы требуют проведения значительного количества опытов и достоверной статистической обработки результатов. Тем не менее многие формулы были получены, когда применяемая в настоящее время система измерений «СИ» не существовала, что следует учитывать при расчетах и использовании представленных формул.

Для расчета напряжения пробоя Uпр воздушного промежутка с плоскими электродами можно использовать следующее выражение:

(2.2)

где δ – относительная плотность воздуха, δ = 0,386 р/Т; р – давление воздуха, мм рт. ст. ; Т – абсолютная температура воздуха; L – расстояние между электродами, см; Uпр – напряжение пробоя, кВ.

Однако следует учесть, что достоверные результаты требуют тщательного соблюдения следующих условий: параллельности поверхностей электродов и абсолютной их соосности.

Для расчета напряжения пробоя Uпр воздушного промежутка с использованием двух равных сфер при условии L < r, кВ,

(2.3)

где r – радиус сферического электрода, см;

. (2.4)

Упрочнение изоляционных воздушных промежутков с неоднородным полем. С увеличением степени неоднородности электрического поля увеличивается разница между максимальной напряженностью поля, имеющей место вблизи электрода с большей кривизной, и на головке развивающегося стримера или лидера, и напряженность поля в более удаленных областях межэлектродного промежутка.

Пробивное напряжение в сильно неоднородном поле может существенно измениться, если между электродами установить тонкий лист твердого диэлектрика, получивший название барьера. На рис. 2.3 представлены зависимости пробивного напряжения для промежутков «стержень – плоскость» с барьером от отношения расстояния между острием и барьером х к межэлектродному расстоянию L.

Рис. 2.3. Влияние расположения барьера на пробивное напряжение промежутка «стержень – плоскость» при положительной (пунктир) и отрицательной (сплошные линии) полярности стержня. Постоянное напряжение: и – разрядные напряжения промежутка без барьера соответственно при положительной и отрицательной полярностях стержня

Влияние барьера особенно значительно при положительной полярности острия и объясняется следующим образом. Положительные ионы, образующиеся вблизи острия в результате ударной ионизации, движутся от острия и оседают на барьере. При этом электрическое поле в промежутке «стержень – барьер» падает, а поле между барьером и плоским электродом становится близким к однородному, так как на барьере заряды оседают более или менее равномерно. Пробой происходит в два этапа: вначале – между плоским электродом и барьером, после чего заряд на барьере значительно уменьшается, а затем – между местом пробоя барьера и электродом-стержнем. Следовательно, пробивное напряжение в основном определяется электрической прочностью промежутка «барьер – плоскость», и поэтому можно понять уменьшение Uпр с увеличением x/L. При малых значениях x/L < 1/5-1/6 плотность заряда в центре барьера значительно отличается от однородной, и выравнивающее действие барьера падает. Наибольшее пробивное напряжение соответствует расположению барьера на расстоянии 1/5-1/6 длины промежутка от коронирующего электрода. Пробивное напряжение промежутка с барьером при положительном стержне в 2-3 раза выше, чем при отсутствии барьера.