электрического поля. В однородном поле пробой газа наступает при более высоком значении Епр, чем в неоднородном поле;

•тепловой пробой обусловлен чрезмерным выделением тепла из-за больших диэлектрических потерь. При этом в диэлектрике происходят необратимые процессы термического разрушения материала (обугливание, растрескивание, оплавление и т.д.), в результате чего растет ток сквозной проводимости. Для теплового пробоя характерна сильная зависимость Епр от температуры, частоты тока, размеров детали и условий ее охлаждения;

•электрохимический пробой обусловлен развитием в диэлектрике химических процессов, ведущих к образованию подвижных ионов. Эта форма пробоя характерна для жидких диэлектриков, содержащих небольшие количества примесей электролита. В твердых диэлектриках электрохимический пробой может быть при наличии поверхностных загрязнений, адсорбированной влаги.

Рис. 23. Схема электрического пробоя газов

Повышение температуры и влажности среды, наличие примесей, неоднородность структуры снижают электрическую прочность диэлектриков.

3.2.Газообразные диэлектрики

Кгазообразным диэлектрикам относятся практически все газы. В первую очередь, это воздух, который является естественным изолятором, окружая все электрические установки. Кроме воздуха широко используют в качестве электрической изоляции неполярные газы - азот, водород, углекислый газ, инертные газы, а также полярные газы - фреоны, элегаз и др.

Электропроводность газов. В идеальном газе свободных носителей заряда нет. В реальных газах всегда имеется некоторое ко-

72

личество свободных электронов и ионов, как результат процесса ионизации молекул газа при воздействии космических и солнечных излучений, земной радиации и т.д. Одновременно с ионизацией в газах протекает процесс рекомбинации нейтральных молекул из электронов и ионов. Поэтому в нормальных условиях удельное электрическое сопротивление газов чрезвычайно велико (ρ до 1018 Ом·м). Высокие электроизоляционные свойства газов сохраняются в электрическом поле до критической напряженности Екр, после чего начинается процесс ударной ионизации - лавинообразное увеличение электронов и ионов, что приводит к пробою газового промежутка. Полностью ионизированный газ - это особая равновесная высокопроводящая среда, называемая плазмой. Для воздуха в нормальных условиях критическая напряженность электрического поля Екр = 106 В/м.

Поляризация газов. Основное значение для всех газов имеет электронная поляризация. Газы обладают малой плотностью, расстояние между молекулами велико, поэтому относительная диэлектрическая проницаемость для всех газов близка к единице

(ε = 1,0002…1,002). Для воздуха ε = 1,0006.

С увеличением температуры относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается, а с увеличением давления ε растет, так, для воздуха при p = 20 атм. ε = 1,01. При влажности воздуха

100% ε = 1,0007, а при 0% влажности ε = 1,0005.

Диэлектрические потери в газах связаны с потерями на электропроводность. Для полярных молекул ориентация диполей происходит без потерь энергии. Поэтому при отсутствии ионизации диэлектрические потери в газах весьма незначительны (tgδ < 4.10-8).

Электрическая прочность газов значительно меньше, чем у жидких и твердых диэлектриков. Для воздуха Епр = 3,2 МВ/м. Основная причина пробоя газов - ударная ионизация.

Электрическая прочность газов сильно зависит от давления, степени однородности электрического поля, расстояния между электродами и частоты поля.

При малых давлениях Епр велико (рис. 24) вследствие малого числа частиц в единице объема и низкой вероятности их столкновения, при повышении давления Епр понижается. При больших давлениях уменьшается длина свободного пробега частиц, они не приоб-

73

ретают необходимой кинетической энергии для ионизации, и электрическая прочность увеличивается.

Рис. 24. Зависимость электрической прочности воздуха от давления

В неоднородном поле (игла-игла, игла-плоскость и т.д.) электрическая прочность оказывается ниже, чем в однородном. С увеличением расстояния между электродами Епр снижается, так как повышается фактор неоднородности поля (рис. 25).

Рис. 25. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле

С увеличением частоты поля напряжение пробоя снижается, что связано с образованием объемных зарядов из-за различной подвижности электронов и ионов. В области высоких частот (>5МГц)

74

продолжительность полупериода изменения поля становится соизмеримой со временем формирования электронных лавин, и пробивное напряжение резко возрастает (рис. 26).

Рис. 26. Зависимость пробивного напряжения воздуха от частоты поля Uпрf :

Uпро

Uпр f - пробивное напряжение на данной частоте, Uпр о - пробивное напряжение на постоянном токе

Применение газообразных диэлектриков

Воздух является естественным изолятором в электроаппаратах и устройствах (воздушных высоковольтных выключателях, воздушных конденсаторах, в т.ч. эталонных), он одновременно обеспечивает отвод тепла.

Азот служит в качестве заменителя воздуха в тех случаях, когда недопустимо окисление.

Водород используется в качестве электроизоляционной охлаждающей среды в мощных генераторах, обладает высокой теплоемкостью.

Азот (N2), водород (H2), углекислый газ (CO2) входят в состав защитных сред многих производств.

Инертные газы (аргон, неон, криптон, ксенон, гелий) при-

меняются для заполнения электровакуумных приборов, радиоламп, газосветных трубок различного цвета свечения.

Фреоны - производные метана CH4 или этана C2H6, в которых атомы водорода замещены атомами фтора или хлора. Например,

75