Лабораторная работа №5 Изучение электрической прочности газообразных диэлектриков в различных электрических полях

Цель работы: Изучить явление пробоя газообразных диэлектриков при напряжении промышленной частоты в равномерном и неравномерном полях.

Воздух является изоляцией многих электротехнических установок, например, воздушных линий электропередач, воздушных выключателей, конденсаторов, силовых кабелей и т.д.

Электрический пробой газа обуславливается появлением ударной и фотонной ионизации молекул. Ударная (ионизация столкновением) происходит при столкновении молекулы с электроном, в результате чего от нейтральной молекулы отрывается один электрон и возникает однозарядный положительный ион. Схема ударной ионизации показана на рис.5.1.

Рис.5.1. Схема ударной ионизации электроном

В процессе ионизации возможен не полный отрыв электрона, а переход его на более удаленную орбиту от ядра – возбуждение молекулы. В возбужденном состоянии молекула находится недолго τ_в ≤ 10^-10 с, затем электрон переходит на устойчивую орбиту. В результате этого перехода молекула излучает фотон лучистой энергии, способный вызвать фотоионизацию другой нейтральной или возбужденной молекулы.

Энергия фотона W = h · ν, где ν – частота излучения, 1/с; h = 4,13 10^-8 эВ·с (постоянная Планка). Для ионизации необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона

E = q · λ ≥ Wн,

где E – напряженность поля;

q – заряд;

λ ­– длина свободного пробега.

Для фотоионизации должно соблюдаться условие

H · ν ≥ U_в · ν_в,

т.е. при повышении частоты излучения увеличивается способность фотона производить ионизацию.

Положительные ионы не участвуют в процессе ударной ионизации, они высвобождают электроны из металла электродов, бомбардируя поверхность катода.

При напряженности электрического поля соответствующий напряжению начала ионизации возникает образование лавины (стримера), в голове которого образуется избыток электронов, а хвосте преобладают положительно заряженные ионы. Расстояние, которое может пройти лавина равно расстоянию между электродами, а в воздушном включении твердой изоляции – между стенками воздушного включения. При полном перекрытии воздушного промежутка лавиной зарядов образуется канал высокой проводимости и происходит искровой разряд. При дальнейшем увеличении напряжения искровой разряд переходит в дуговой и при устойчивом его поддержании между электродами образуется плазма-насыщение положительными ионами и электронами пространства между электродами.

С точки зрения количественной оценки электрической прочности следует различать однородность и неоднородность электрического поля. В равномерном поле напряженность постоянна вдоль его силовых линий, в неравномерных она изменяется.

Равномерность и неравномерность электрического поля зависит от формы электродов. Неравномерность возрастает с увеличением отношения расстояния между электродами h к наименьшему радиусу их кривизны R. В энергетических установках большинство полей резко неравномерны. В лабораторных условиях равномерные поля наблюдаются при электродах шар-шар, две полусферы, а неравномерные поля между игла – плоскость.

В неравномерных электрических полях пробой воздушного промежутка всегда сопровождается образованием коронного разряда (синеватым свечением электрод, у которого максимальная напряженность поля). Затем коронный разряд переходит в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В равномерном поле электрический пробой происходит мгновенно при достижении строго определенного напряжения. Между электродами возникает искра и если мощность источника достаточно велика, то происходит другой разряд.

Электрическая прочность воздуха в значительной степени зависит от внешних условий, например, давления, температуры и влажности. Поэтому для расчета пробивных напряжений используется формула

U_пр = U_про · δ,

где U_про – пробивное напряжение при нормальных условиях (t=20⁰C и P=0,1 мПа);

U_пр – пробивное напряжение при данной температуре и давлении.

Относительная влажность воздуха рассчитывается по формуле

δ = 0,386 P/(t+273),

При нормальных условиях δ = 1.

Схемы, приборы и порядок выполнения работы.

В лабораторной установке применена типовая схема управления высоким напряжением (см. рис.2.4). В качестве измерительного трансформатора применен трансформатор напряжения типа ЗНОЛ-7 на напряжение U₁ = 100/√3 и U₂ = 35000/√3. Вход в высоковольтную камеру защищен блокировкой двери, открытие которой автоматически снимает высокое напряжение. Измерение пробивного напряжения осуществляется вольтметром на низкой стороне U_сети. Величина пробивного напряжения U_про рассчитывается по формуле U_про = U_сети·K_Т, где K_Т – коэффициент трансформации.

Испытания производятся в следующем порядке.

1. Установить (проверить) регулятор напряжения в нулевое положение и не включая установки установить электроды соответственно игла-игла, игла-плоскость, шар-шар и при различных расстояниях между электродами (указываются преподавателем) произвести серию испытаний. Результаты занести в таблицу

   Форма электродов	Расстояние между электродами	Uc, В	Uпро, кВ	Uпр, кВ	Eпр, кВ/см

2. Измерить P, t⁰C по приборам и привести условия испытаний к нормальным.

3. Составить отчет.

Контрольные вопросы

1. Пояснить физические процессы при пробое воздушного промежутка в однофазном и неоднофазном поле.

2. Как зависит U_пр внешних условий (давления и влажности)?

3. Объяснить зависимости E_пр = f(h).

4. Назвать основные характеристики воздушного промежутка, которые учитываются в условиях эксплуатации.

5. Запишите условие ударной ионизации и фотоионизации.