Лабораторная работа № 3 разрядные характеристики воздушных промежутков.

Цель работы — определение разрядных напряжений в воздухе в равномерном, слабо и резко неравномерных полях при переменном и постоянном напряжениях.

Общие сведения. Разрядной характеристикой называется зависимость пробивного напряжения от длины промежутка.

Величина пробивного напряжения воздушного промежутка и его электрическая прочность зависят от: 1 — расстояния между электродами, 2 — степени неравномерности электрического поля, 3— плотности, влажности и запыленности воздуха, 4 —вида приложенного напряжения (постоянное, переменное промышленной и высокой частоты, импульсное).

Разрядная характеристика для плоских электродов с закругленными краями имеет вид

где — электрическая прочность воздуха в равномерном поле ( 30 кВ/см.);

— длина воздушного промежутка.

В реальных условиях величина зависит от и относительной плотности воздуха . В тонких, воздушных слоях, соизмеримых с длиной свободного пробега электронов, наблюдается увеличение вследствие уменьшения вероятности ударной ионизации нейтральных атомов. Увеличение плотности воздуха затрудняет процесс ионизации, что связано с уменьшением длины свободного пробега электрона. Это приводит к росту . При понижении плотности по началу уменьшается, но при достижении высокой степени разряжения вновь начинает возрастать, что объясняется уменьшением числа молекул воздуха в единицах объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. Для точных расчетов можно пользоваться эмпирической формулой

где

Р — давление в мм рт. ст.;

Т — температура воздуха при проведении испытания в К,

где - пробивное напряжение при нормальных атмосферных условиях, кВ.

Пробой воздушного промежутка в неравномерном электрическим полем протекает иначе, чем в равномерном. Здесь напряженность поля для разных точек различна, поэтому наблюдается постепенное прорастание разряда в глубь воздушного промежутка из точек, где Е имеет наибольшие значения. При этом помимо ударной ионизации имеет место фотонная ионизация, способствующая более быстрому распространению электропроводящего канала—стримера. Постепенное разрушение воздуха равносильно перемещению точек с потенциалами электродов в глубь воздушного промежутка, так как разрушенный воздух представляет собой проводник со сравнительно малым падением напряжения в нем, т.е. прорастание разряда равносильно уменьшению длины промежутка при сохранении неизменной величины приложенного напряжения.

Следовательно, при одинаковых по длине разрядных промежутках с равномерным и неравномерным полями промежуток с неравномерным полем пробивается при меньшем напряжении.

В резко неравномерных полях на величину влияет также влажность воздуха. С учетом поправки на влажность воздуха

где К= 1,2—0,2µ;

µ — относительная влажность воздуха, определяемая по гигрометру.

На величину разрядного напряжения влияет способ приложения напряжения к электродам (рис.1). При заземлении одного из электродов часть силовых линий поля замыкается на расположенные вокруг заземленные части. К емкости между электродами С₁₂ добавляется емкость незаземленного электрода относительно земли C₁₃, и суммарная емкость системы возрастает. Поскольку , то при U = const на первом электроде накапливается больший заряд, а на втором— заряд распределяется более неравномерно, чем при симметричной схеме. В результате неравномерность электрического поля возрастает, а пробивное напряжение снижается.

Рис. 1. Электрическое поле между электродами с учетом влияния земли

Между разными по форме электродами образуется неравномерное и несимметричное поле. В таком поле электрическая прочность воздуха в значительной степени зависит от полярности электродов. Наиболее ярко эффект полярности проявляется при электродах игла — плоскость (рис. 2).

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая эффект полярности электродов

В обоих случаях ионизация начинается вблизи иглы, где напряженность электрического поля максимальная. При положительной игле объемный положительный заряд уменьшает поле вблизи стержня и несколько усиливает его во внешнем пространстве. Электроны, движущиеся от отрицательно заряженной плоскости к положительной игле, будут разгоняться объемным зарядом и ударная ионизация усилится. При отрицательной игле объемный заряд усилит поле вблизи иглы, но ослабит поле в остальной части промежутка. Ударная ионизация на большей части промежутка ослабнет, так как движущиеся к положительной плоскости электроны будут тормозиться объемным зарядом. Поэтому в первом случае разрядное напряжение значительно меньше, чем во втором.

Оценка электрической прочности ЭИМ при воздействии на них, импульсного напряжения производится по вольтсекундным характеристикам (ВСХ). ВСХ – зависимость времени пробоя ЭИМ от величины воздействующего импульсного напряжения.

Расчетная формула для ВСХ:

где

Программа работы

1. Снять разрядные характеристики при переменном напряжении промышленной частоты для электродов:

а) плоскость—плоскость;

б) игла—плоскость;

в) игла — заземленная плоскость;

г) игла—игла;

д) шар—шар.

2. Исследовать влияние полярности электродов «игла—заземленная плоскость».

3. Определить ВСХ воздушного промежутка.

Указания к выполнению работы

По пп. 1, 2. Принципиальные схемы испытательных установок приведены на рабочем месте, в лаборатории. Опыты проводятся при симметричном или несимметричном включении электродов. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1

Таблица 1

Форма электродов	Расстояние , см	По данным опыта	По расчету
		кВ	кВ	кВ/см

Для расчета и пользоваться эмпирическими соотношениями:

плоскость—плоскость кВ;

игла—заземленная плоскость , см;

игла—игла см;

см;

шар—шар ,

где f — коэффициент неравномерности поля

r — радиус сферы, см;

По полученным данным построить опытные и расчетные зависимости и .

Для сравнения результатов рекомендуется строить зависимости в одинаковом масштабе.

По п. 3. Схема генератора апериодических импульсов напряжения приведена на рабочем месте в лаборатории. Объектом испытания служит искровой промежуток разрядника. От генератора (рис. 3) импульсы напряжения соответствующей крутизны, амплитуды и частоты следования подаются на испытуемый образец. По осциллограммам на осциллографе следует фиксировать величину напряжения U_np._имп и соответствующее разрядное время t_p. Момент пробоя образца фиксируется по резкому спаду напряжения. Для получения статистически достоверного результата при каждом разряде следует снимать несколько точек, оценивая разброс величин U_np и t_p . BCX необходимо построить по пяти-шести точкам. Данные измерений занести в табл. 2.

Таблица 2

По данным опыта			По расчету
Unp.имп	tp		Unp.имп	tp	Т
В	max	B	В	max	max	max

Рис. 3. Схема для исследования ВСХ

Содержание отчета

1. Программа работы.

2. Принципиальные электрические схемы испытаний.

3. Таблицы измеренных и вычисленных величин.

4. Расчетные формулы.

1. Графические зависимости , , для опытных и расчетных данных.

5. Выводы по работе.