5.2.1. Пробой газов в однородном электрическом поле

Длительность развития пробоя газов обычно составляет 10^-7— 10^-8 с (при h «1 см). Чем больше приложенное напряжение, тем бы­стрее может развиться пробой. Если длительность воздействия на­пряжения очень мала, то величина Епр повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса β:

β = Unp/Unp0 , (5.3)

где Unp — пробивное напряжение при данном импульсе; Unp0 — про­бивное напряжение при постоянном или переменном напряжении частотой 50 Гц.

Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях доходит до 1,5.

Электрическая прочность газов зависит от степени неоднородно­сти электрического поля, в котором происходит пробой. Чем выше неоднородность поля, тем ниже Епр.

Поле является однородным, если вектор напряженности поля Е во всех его точках одинаков. В противном случае (вектор Е имеет раз­ные значения) поле считается неоднородным. Однородное поле на практике встречается редко. Его можно получить с помощью элек­тродов Роговского, форма которых соответствует эквипотенциаль­ным поверхностям, рассчитанным аналитически из условия одно­родности электрического поля в средней части межэлектродного пространства. Электрические поля с относительно высокой степе­нью однородности получают между сферическими (шаровыми) элек­тродами, если расстояние h между ними меньше радиуса r сферы (h < г), а также между плоскими электродами с закругленными края­ми. В однородном поле пробой наступает практически мгновенно ( τ = 10^-7— 10^-8 с ) при строго определенном значении напряжения, зависящем от ряда факторов (см. ниже). Величина Eр в однородном поле имеет наибольшее значение; для воздуха при нормальных усло­виях и h = 1 см Eпр = 3,2 МВ/м (32 кВ/см). При достижении значе­ния Е, равного Епр, между электродами возникает искра, которая при достаточной мощности источника напряжения переходит в дугу. Влияние влажности воздуха на величину Епр в однородном поле не­значительно и при измерении С/пр не учитывается.

Зависимость электрической прочности газов от давления. Зависи­мость Епр газов от давления Р, представленная на рис. 5.4, показыва­ет, что с увеличением давления (выше атмосферного) Епр возрастает (участок ОА), а с уменьшением — снижается (участок ОБ). В области высокого вакуума (участок БВ) Епр снова возрастает и далее не изме­няется (участок ВГ).

Такой характер зависимости Епр газов от давле­ния объясняется следующим. При значениях давления выше нор­мального (участок ОА) газ сжимается и, следовательно, уменьшается средняя длина свободного пробега X электрона. Поэтому для выпол­нения условия возможности пробоя (W> Wи) необходимо повысить напряженность электрического поля Е (см. формулу (5.2)). Наобо­рот, при разряжении газа (участок ОБ) "k возрастает, и при это.м электроны могут приобрести добавочную энергию W > И/, даже при меньшем значении напряженности поля. В области высокого вакуу­ма (участок БВ) Епр возрастает, так как в результате сильного разря­жения газа уменьшается число молекул в единице объема и снижает­ся вероятность столкновения электронов с молекулами. При еще более высоком вакууме (участок ВГ) Еир достигает весьма больших значений (порядка 102 МВ/м), не изменяющихся с дальнейшим уве­личением разряжения. Пробой в данном случае объясняется явлени­ем холодной эмиссии электронов из катода (см. гл. 12.3.2), и £пр ста­новится зависимой от природы металла и состояния поверхности электродов.

На участке БОА

Unp = Uпр0•δ , (5.4)

где Unp — пробивное напряжение воздуха при данных температуре и давлении; Unp0 — пробивное напряжение воздуха при нормальных

5.4. Зависимость электрической прочности Eпр. макс газов от давлении (схематически)

условиях (Т=20°С, P=0,l МПа); δ — относительная плотность воздуха;

δ=293•10^-5Р/(273 + Т), (5.5)

где Т — температура, °С; Р — давление, Па. При нормальных услови­ях δ = 1.

Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами и их формы. Зависимость Епр газов от расстояния h меж­ду электродами представлена на рис. 5.5, из которого видно, что при уменьшении расстояния между электродами (при h < 5 мм) Епр зна­чительно возрастает и при h — 0,005 мм достигает 70 МВ/м. Рост электрической прочности в данном случае вызван трудностью фор­мирования разряда из-за малого расстояния между электродами. Уменьшение h приводит к уменьшению λ и, следовательно, к увели­чению Епр (см. формулу (5.2)).

Форма электродов оказывает существенное влияние на электри­ческую прочность газов (воздуха). Объясняется это тем, что форма электродов, расстояние между ними, находящиеся вблизи заземлен­ные конструкции и т.д., влияют на однородность электрического поля.

Шаровые электроды можно включить в схему симметрично и не­симметрично.

При симметричном включении (оба шара изолирова­ны от земли) однородность поля будет более высокая, и Епр соответ­ственно будет выше, чем при несимметричном включении.

При несимметричном включении шаров наибольшее значение Unp имеет место в случае их вертикального расположения и заземления нижне­го шарового электрода.

Закон Пашена. Закон Пашена показывает зависимость Unp газо­образных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.6). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp.мин в зависимости от произве­дения Ph. Для газов, состоящих из двух- и многоатомных молекул, U (пр.мин) лежит в пределах от 280 В (Н2) до 420 В (СО2). На частоте 50 Гц у неионизированного воздуха в однородном электрическом поле Uпр.мин ~ 326 В. У инертных газов (газов, состоящих из одноатомных молекул) Uпр.ми,, ниже, чем у газов из многоатомных молекул (напри­мер, у чистого аргона Unp мин ≈195 В, а у аргона с примесью паров на­трия ~ 95 В, у неона с парами натрия ~ 85 В). Поэтому для снижения Uпр,мин инертных газов, используемых в газоразрядных приборах, электроды изготавливают (или хотя бы их покрывают) из металлов с присадками щелочных или щелочноземельных металлов, обладаю­щих малой работой выхода электронов.

Зависимость электрической прочности воздуха от частоты прило­женного напряжения. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение воздуха зависит от частоты напряжения только в облас­ти ультразвуковых частот, радиочастот и СВЧ (рис. 5.7). Пробой воздушного промежутка в 1 см в однородном электрическом поле при нормальных условиях происходит за 10^-7с и менее

Рис. 5.6. Зависимость пробивного напря­жения Uпр.макс воздуха (1) и неона (2) 2 от от произведения давления газа Р на расстоя­ние между электродами h

Рис.5.7. Частотная зависимость отношения пробивного напряжения воздуха при данной чачтоте к пробивному напряжению на постоянном токе.

При пробое на переменном токе частотой до нескольких тысяч герц амплитудная величина пробивного напряжения практически равна пробивно­му напряжению на постоянном токе. При последующем увеличе­нии частоты пробивное напряжение снижается на 20—25% и при ƒ≈ 5•10⁶ Гц становится минимальным, после чего возрастает и дости­гает значения, превосходящего пробивное напряжение на постоян­ном токе более чем в 1,5 раза. Такой характер зависимости Uпр возду­ха от ƒ на высоких частотах объясняется некоторой спецификой, связанной с образованием при ƒкр1 объемного положительного заряда, а на более высоких частотах, при ƒкр2,— объемного отрицательного за­ряда. Образование и рост этих объемных зарядов и приводит к сни­жению Uпр. При еще более высоких частотах, при ƒкр3, время полупе­риода напряжения становится недостаточным для развития ионизационных процессов, в результате пробой наступает при более высоком напряжении.

Рассмотрим кратко механизм пробоя в зависимости от частоты напряжения. При низких частотах за время одного полупериода не только электроны, но и положитель­ные ионы, образовавшиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоиони­зации, успевают уйти из разрядного промежутка на электроды. Однако, начиная с не­которой частоты ƒкр1 (первая критическая частота), часть положительных ионов не Успевает за время одного полупериода пройти весь путь до катода и там нейтрализо­ваться. Эти ионы, накапливаясь в межэлектродном пространстве в каждый последую­щий полупериод, образуют объемный положительный заряд, который совместно с электродами создает дополнительный градиент потенциала и тем самым снижает Uпр. С Дальнейшим увеличением частоты (приƒ>ƒкр1) (Uпр снижается до тех пор, пока не Прекратится рост объемного положительного заряда. Значениеƒкр1 зависит от давле­ния газа и расстояния h между электродами. При нормальных условиях и h = 2 см ƒkp= 10 кГц.

При более высоких частотах (ƒ >- 430 кГц) при второй критической частоте ƒкр2, кроме объемного положительного заряда, начнет образовываться электронный объем­ный заряд. Этот заряд образуется потому, что продолжительность полупериода ста­новится меньше времени, необходимого для пробега электронами разрядного промежутка. Поэтому часть электронов, накапливаясь в межэлектродном пространстве, продолжает участвовать в процессе формирования электронных лавин, что и при­водит к новому снижению Unp. Снижение Uпр с увеличением частоты (приƒ >ƒкр2) происходит до тех пор, пока не прекратится рост объемного отрицательного заряда. Значение ƒкр2 зависит от межэлектродного расстояния h и неоднородности электриче­ского поля и с их увеличением снижается.

Повышение пробивного напряжения при третьей критической частотеƒkp3, при­мерно равной 5•10⁶ Гц, объясняется тем, что время одного полупериода становится меньше времени, необходимого для формирования электронных лавин. Поэтому не­обходимо повысить напряженность поля, чтобы электроны между двумя столкнове­ниями могли приобрести добавочную энергию W, достаточную для ударной иониза­ции.

С увеличением молекулярной массы и особенно при введении в состав молекул газообразных диэлектриков атомов электроотрицательных элементов (фтора, хлора и др.) и уве­личении числа этих атомов Eпр возрастает. Электрическая прочность возрастает, так как введенные в молекулы газа атомы F и С1 при­водят к увеличению энергии, необходимой для ионизации этих мо­лекул.

Электрическая прочность фторсодержащих газов и паров при нормальном давлении того же порядка, что и Епр многих жидких диэлектриков. Однако в сравнении с жидкими диэлектриками эти газы имеют ряд преимуществ: значительно меньшую плотность (что существенно снижает массу соответствующих электрических аппаратов), более высокую нагревостойкость и стойкость к старению. Небольшие примеси фторсодержащих газов к воздуху повышают его Епр. Из низкомолекулярных галогенсодержащих газов фреон об­ладает тем недостатком, что под действием электрических разрядов его молекулы распадаются на компоненты, которые в присутствии влаги вызывают коррозию металлов. В этом отношении элегаз хи­мически более стабилен — электрические разряды на него не дейст­вуют.

Элегаз, тщательно очищенный, не имеет запаха и вкуса, хими­чески инертен, его нагревостойкость 800 C. Он не разлагается под действием воды, кислот, щелочей, кислорода, галогенов, водорода и др. Eпр элегаза при атмосферном давлении в 2,9 раза выше, чем у воз­духа, а при давлении 0,3—0,4 МПа выше, чем у нефтяного масла.

Элегазовые коммутационные аппараты имеют диапазон номинальных напряже­ний от 6 до 1150 кВ. Их отключающая способность на два порядка выше, чем у воз­душных выключателей; они создают меньшие перенапряжения, чем вакуумные аппа­раты, и тем самым облегчают работу изоляции электрооборудования. На сегодняшний день для коммутационных аппаратов на напряжение 110 кВ и выше нет и не предви­дится разумной альтернативы элегазу как электроизоляционной и дугогасительной среде. Ведутся разработки элегазовых трансформаторов напряжения на 110 кВ.

Очень низкую электрическую прочность имеют инертные газы (неон, аргон и др.), а также пары натрия и ртути. Поэтому их широ­ко применяют в газоразрядных приборах, лампах дневного освеще­ния и т.п.