Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрофизические основы электроэнергетики. Учебное пособие
.pdf
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем отличается моделирование электромагнитных переходных
процессов в схемах с сосредоточенными и распределенными параметрами?
2. Какие основные факторы влияют на форму и амплитуду изменения напряжения в узлах исследуемой схемы?
3. Как ведут себя сосредоточенные элементы (R, L и C) при воздействии на схему с распределенными параметрами прямоугольного импульса напряжения бесконечной длительности?
4. При воздействии какого импульса (короткого или длинного) в
схемах перенапряжения выше?
61
эф
( / )
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗЕ
4.1. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД В ГАЗЕ
Основной причиной возникновения электрического разряда в газе
является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем. В электроположительных газах,
в которых невозможно образование отрицательных ионов, интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом ударной ионизации (α), который определяет число актов ионизаций, возникающих при
столкновении электронов с нейтральными частицами при пробеге электроном 1 см пути вдоль силовой линии электрического поля. В электроотрицательных газах (элегазе) помимо увеличения числа электронов
при ударной ионизации происходит также потеря электронов за счет их
«прилипания» к нейтральным частицам с образованием отрицательных
ионов. Этот процесс характеризуется коэффициентом прилипания (η),
который определяет долю прилипших к нейтральным частицам электронов на пути в 1 см вдоль силовой линии электрического поля. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации (
эф
Коэффициент (
чеcкого поля и плотности газа (δ), причем в общем виде эта зависимость
может быть представлена в виде
).
или ) зависит от напряженности электри-
поэтому в неравномерном поле интенсивность ударной ионизации в
различных точках промежутка неодинакова.
электрон. После первого акта ионизации образуется два свободных
эф
f E
, (4.1)
Для развития разряда в газе необходим хотя бы один свободный
62
электрона, затем четыре и т. д. Этот поток постоянного увеличения
,
dx
0
x
0
x x
1
2
N
1
( 1)
1
1 1,
числа электронов называется лавиной электронов. При этом число электронов в лавине определяется соотношением
x
эф
x
0
N e
где
– координата появления начального электрона; (
(4.2)
) – путь,
пройденный лавиной в направлении электрического поля.
В процессе развития лавины в промежутке образуются также положительные ионы, число которых равно (
N
), и фотоны, возникновение которых связано с тем, что электроны лавины помимо ионизации
также возбуждают молекулы газа, а переход возбужденных молекул в
нормальное состояние сопровождается излучением.
Воздействие фотонов и положительных ионов на катод, а также фотоионизация в объеме газа приводит к появлению так называемых «вторичных» электронов, возникающих в результате вторичных процессов,
связанных с развитием начальной лавины.
Общее число вторичных электронов
пропорционально (
N
),
т. е.
где γ – коэффициент вторичной ионизации (в первом приближении может считаться величиной постоянной).
Начальный электрон в газовом промежутке появляется за счет внешнего ионизатора (ультрафиолетового излучения Солнца, космического
излучения) либо при развале отрицательных ионов, которые всегда имеются в промежутке электроотрицательного газа и появление их также
обусловлено внешним ионизатором. Для того чтобы в дальнейшем разряд не зависел от внешнего ионизатора, необходимо, чтобы начальная
лавина за счет вторичных процессов создала хотя бы один вторичный
электрон, который положил бы начало новой лавине с числом электронов не менее чем в начальной лавине. Разряд, не зависящий от внешнего
ионизатора, называется самостоятельным, а условие самостоятельности
разряда имеет вид
N N
2
N
или
2
x
dx
эф
x
0
e
63
, (4.3)
(4.4)
причем интегрирование должно производиться по части силовой линии,
0
( / )
( 1) 1.
24 6,4 ,
U S
пр
U
0,386 ,
P
T
где
Так как
эф
.
эф
f E
, а напряжение между электродами равно ин-
тегралу напряженности электрического поля вдоль любой силовой линии, в том числе и той, по которой развивается лавина электронов,
можно определить минимальное значение напряжения, при котором выполняется условие самостоятельности разряда. Это напряжение называется начальным.
В равномерном поле напряженность электрического поля одинакова
во всех точках промежутка. Поэтому если ионизация началась, то она
распространяется от одного электрода до другого, и возникновение самостоятельного разряда непременно вызывает полный пробой промежутка. Начальное напряжение в этом случае равно пробивному. Это
имеет место в квазиравномерных и слабонеравномерных промежутках.
В промежутках с равномерным полем и расстоянием S между электродами условие самостоятельности разряда имеет вид
Se
эф
(4.5)
Так как в равномерном поле можно пренебречь полем, обусловленным зарядами в лавине, то из условия самостоятельности разряда можно
получить величину пробивного напряжения промежутка
где
– амплитудное значение пробивного напряжения при переменном
напряжении, кВ; S – расстояние между электродами, см;
T = 273 + t – температура, P – давление, мм рт. ст.
Формула (4.6) для воздуха применима только при δS ≥ 0,01 см.
В промежутках с резконеравномерным полем, таких, например, как
стержень–плоскость, стержень–стержень, провод–плоскость, провод–
провод, в которых радиусы кривизны одного или обоих электродов
много меньше межэлектродного расстояния, при выполнении условия
самостоятельности разряда возникает особая форма разряда – коронный
разряд.
В неравномерном поле остаются в силе основные закономерности
самостоятельного разряда, но вследствие изменения напряженности
пр
64
(4.6)
вдоль пути лавины условие самостоятельности разряда (4.5) приобре-
ln 1 const.
q
E
тает вид
S
dx
эф
0
1
(4.7)
В промежутке стержень–плоскость напряженность электрического
поля особенно велика вблизи стержня и при удалении от него резко спадает, соответственно корона возникает вблизи стержня. Характер коронного разряда существенно зависит от полярности этого электрода
(стержня).
При положительной полярности электрода возникающие вблизи
стержня лавины будут развиваться по направлению к стержню (рис. 4.1, а).
Под действием сил электрического поля легкие электронные лавины
быстро перемещаются к стержню и поглощаются им, а тяжелые положительные ионы направляются к расположенному в отдалении катоду
(плоскости), но со скоростью много меньшей, чем скорость движения
электронов. Из-за этого различия скоростей стержень оказывается окружен облачком избыточных положительных ионов (рис. 4.1, б). Создавае-
мое облаком положительных ионов дополнительное поле с напряжен-
ностью
ослабляет основное поле Е у стержня (анода) и усиливает
основное поле вдали от стержня (по направлению к катоду, рис. 4.1, в).
В результате область, охваченная короной, расширяется.
При отрицательной полярности стержня лавины возникают вблизи
стержня (катода) и развиваются вглубь промежутка (рис. 4.2, а). Электроны выносятся силами электрического поля из области ионизации в область слабого электрического поля, где они захватываются нейтральными
молекулами образуя отрицательные ионы. В результате вблизи катода
остается облачко положительных ионов, отрицательные ионы рассеяны
за концентрированным облачком положительных ионов (рис. 4.2, б).
При этом напряженность вблизи катода усиливается, а на удалении от
него – снижается, а результирующая кривая напряженности в промежутке приобретает форму, показанную на рис. 4.2, в. В результате происходит стягивание лавинной короны к отрицательному электроду.
С каждой новой лавиной происходит усиление электрического поля
вблизи стержня и ослабление поля за центром скопления положительных ионов. Поэтому лавины начинают пробегать все меньшее расстояние. У поверхности катода образуется узкий слой высокой напряженности, где существует лавинный процесс и где рождаются электроны, выносимые во внешнее пространство.
65
н
Е
н
U
н
Е
н
Е
а
б
Е
х
в
Рис. 4.1. Возникновение лавины у положительно заряженного
стержня:
а – развитие лавины; б – образование облака избыточных положительных зарядов; в – искажение исходного поля в промежутке
объемным зарядом
Начальные значения напряженности
и напряжения
при про-
чих равных условиях тем меньше, чем больше кривизна коронирующего
электрода. Хотя коронный разряд при отрицательной полярности тормозится возникающим объемным зарядом, начальная напряженность ко-
роны
полярности
при отрицательной полярности ниже, чем при положительной
. Это объясняется тем, что при отрицательной полярности
существенную роль играет фотоэффект с катода, способствующий
66
возникновению самостоятельного разряда. Различие
н
Е
н
Е
тельно у электродов с радиусом кривизны r >1 см.
а
б
Е
и
незначи-
х
в
Рис. 4.2. Возникновение лавины у отрицательно
заряженного стержня:
а – развитие лавины; б – образование облачков положительно и отри-
цательно заряженных ионов; в – искажение исходного поля в проме жутке объемными зарядами
Полный пробой промежутка с резконеравномерным полем происходит при напряжении, большем начального, т. е. при наличии развитой
короны. При лавинной короне, которая выравнивает электрическое поле
67
в промежутке, пробивное напряжение выше, чем при стримерной короне, при которой напряженность электрического на конце стримеров
очень велика.
Пробивное напряжение в промежутке стержень–плоскость больше
при отрицательном стержне, так как в этом случае затруднено формирование стримера, необходимого для пробоя промежутка.
4.2. ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРА
НА ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРОМЕЖУТКА
С РЕЗКОНЕРАВНОМЕРНЫМ ПОЛЕМ
Барьером называется диэлектрик (например, бумага), который размещается между электродами перпендикулярно центральной силовой
линии электрического поля (для промежутка стержень–плоскость центральная силовая линия совпадает с осью симметрии электрического
поля промежутка). Изменение пробивного напряжения промежутка при
наличии барьера вызвано изменением картины поля в промежутке
вследствие осаждения ионов на поверхности барьера.
При использовании в качестве барьера изоляционного материала,
пробивное напряжение которого соизмеримо с пробивным напряжением промежутка, суммарная электрическая прочность промежутка повышается за счет электрической его прочности. При этом пробивное
напряжение промежутка при наличии барьера зависит от полярности
электрода и расположения барьера в промежутке. (рис. 4.3).
Если барьер расположен у стержня и касается его, то, поскольку
барьер имеет хотя и малую, но конкретную толщину, ионизация в области наибольшей напряженности поля, занятой барьером, будет невозможна. Следовательно, для возникновения коронного разряда и последующего пробоя промежутка требуется увеличить напряжение. Увеличение пробивного напряжения зависит при этом от толщины барьера.
При установке барьера на некотором расстоянии от стержня он не
влияет на напряжение возникновения коронного разряда. Коронный разряд, который возникает у стержня, приводит к появлению в промежутке
между стержнем и барьером объемного заряда (электронов и ионов), причем заряды, имеющие знак, противоположный знаку стержня, движутся
к нему и нейтрализуются на нем, а заряды того же знака движутся к
барьеру и осаждаются на его поверхности. Заряды, осевшие на барьере,
снижают напряженность электрического поля у стержня, и если напряжение на промежутке не увеличивается, то коронный разряд прекращается.
68
При повышение напряжения величина заряда на барьере будет возрас-
1
S
1
S
2
S
тать, а следовательно, будет увеличиваться напряженность электрического поля между барьером и плоскостью, что приведет к пробою между
ними, а значит, и к пробою всего промежутка.
Наибольшая напряженность электрического поля и наибольшее количество заряда в лавинах будут на центральной силовой линии. Поэтому наибольшая плотность осевшего заряда на поверхности барьера
будет в точке пересечения центральной силовой линии поля с барьером.
Поле, создаваемое осевшим на барьере зарядом, можно в первом при-
ближении принять эквивалентным полю шара с радиусом
, равным
расстоянию от стержня до барьера (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Зависимость пробивного напряжения от положения барьера
для промежутка стержень–плоскость с барьером:
– положительная полярность; –
отрицательная полярность
Таким образом, пробивное напряжение промежутка стержень–
плоскость длиной S с барьером может быть определено как сумма двух
напряжений: напряжения между стержнем и барьером и пробивного
напряжения промежутка эквивалентный шар радиусом
при длине промежутка
, равной расстоянию между барьером и плос-
–плоскость
костью. Напряжение между стержнем и барьером практически не отличается от начального напряжения этого промежутка, так как заряд, осевший на поверхности барьера, снижает напряженность у стержня до
69
начальной. Это напряжение слабо зависит от расстояния между стерж-
/ 7
1
S
нем и барьером и существенно меньше пробивного напряжения. Следовательно, пробивное напряжение промежутка стержень–плоскость
с барьером определяется главным образом электрической прочностью
промежутка барьер–плоскость (эквивалентный шар–плоскость)
Поле промежутка шар–плоскость более равномерно, поэтому его
пробивное напряжение будет выше, чем у исходного промежутка стержень–плоскость. С удалением барьера от стержня радиус шара эквивалентного промежутка шар–плоскость возрастает, что приводит к увеличению равномерности поля и к возрастанию пробивного напряжения.
Возрастание пробивного напряжения будет происходить примерно до
тех пор, пока поле эквивалентного промежутка шар–плоскость не ста-
нет слабонеравномерным, что соответствует
шем увеличении расстояния
поле эквивалентного промежутка стер-
S S
2 1
. При дальней-
жень–плоскость будет слабонеравномерным, а следовательно, пробивные напряжения будут слабо зависеть от радиуса шара и полярности
напряжения и мало отличаться от пробивного напряжения промежутка
с равномерным полем длиной S2. Так как с увеличением расстояния
между барьером и стержнем промежуток S2 уменьшается, то и пробивное напряжение снижается.
Рис. 4.4. Зависимость амплитудного значения пробивного
напряжения от положения барьера для промежутка стержень–
плоскость с барьером при переменном напряжении промыш ленной частоты
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]