Министерство образования

Российской Федерации

ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ

Материаловедение. Технология конструкционных материалов Материалы и элементы электронной техники

Часть 1

Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения всех специальностей электротехнического факультета

Екатеринбург 2004

УДК 621 027

Составители С.Ю.Кропотухин, С. Р. Яковенко

Научный редактор доц., канд.техн.наук В.И.Лузгин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Электротехнические материалы: Методические указания к лабораторным работам / С.Ю.Кропотухин, С. Р. Яковенко.

Екатеринбург: изд-во ГОУ ВПО УГТУ- УПИ, 2005.Ч1. 54с.

Методические указания включают четыре лабораторные работы по курсу “ Электротехнические материалы: газообразные и твердые диэлектрики, электрические характеристики “

В описании к каждой работе приводятся краткие теоретические сведения по содержанию работы, схемы установки, методические указания по проведению опытов.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 24. Табл. 10.

Подготовлено кафедрой “Техника высоких напряжений”.

• ГОУ ВПО Уральский Государственный технический университет-УПИ, 2005

РАБОТА 1

Электрические разряды в газах при постоянном напряжении

Цель работы - ознакомиться со стадиями формирования пробоя воздуха, факторами, влияющими на пробой и способом количественной оценки его электрической прочности.

Воздух или другие газы в той или иной степени всегда присутствуют в любой изоляционной конструкции. Шины распределительных устройств, провода линий электропередачи, выводы высокого напряжения трансформаторов и других аппаратов изолированы друг от друга воздушными промежутками, в которых воздух играет роль единственного изолирующего вещества. Опорные изоляторы подстанций, подвесные изоляторы линий электропередачи и другие изоляционные конструкции находятся в воздушной среде. Нарушение электрической прочности изоляторов и изоляционных конструкций может произойти путём пробоя твердого диэлектрика, из которого изготовлен изолятор, или путём развития разряда в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика.

Но воздух или другой газ имеют значение не только естественной газовой среды, в которой находятся изоляционные конструкции. Газ может использоваться также в качестве одного из основных изоляционных материалов в кабелях, конденсаторах и других электрических аппаратах.

В основе формирования пробоя воздуха, т.е. перехода газа из непроводящего состояния в проводящее лежит процесс ионизации. Ионизация газа - процесс образования заряженных частиц из электрически нейтральных молекул.

Идеальный газ, состоящий только из нейтральных молекул, абсолютно не проводит электрического тока. В реальных газах за счет различных внешних воздействий (ультрафиолетовое излучение солнца, радиоактивное излучение почвы, космические лучи и т.д.) всегда имеется некоторое количество ионов и электронов, сообщающих газу определенную проводимость.

Если к газовому промежутку с плоскими электродами подвести постоянное напряжение, величину которого можно изменять, то свободные заряды начнут двигаться вдоль силовых линий поля, создавая ток I во внешней цепи. По мере увеличения приложенного напряжения этот ток возрастает (рис. 1.1) за счет того, что все большая часть зарядов успевает достичь электродов, не рекомбинировав в пространстве. Затем наступает режим насыщения, как в электронных лампах, когда заряды в пространстве практически не рекомбинируют, а при дальнейшем возрастании напряжения ток начинает снова возрастать, что свидетельствует о начавшемся процессе ионизации в газе под действием электрического поля. Затем, при некотором значении напряжения, происходит резкое увеличение тока, которое свидетельствует о внезапном качественном изменении состояния газа. Это напряжение называется пробивным напряжением U_пр газового промежутка и при достижении этого напряжения газ теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник. Происходит пробой диэлектрика.

Ι

U

U_пр

Рис. 1.1 . Вольт-амперная характеристика разряда в газе.

Весьма существенна также следующая особенность прохождения тока через газ. При напряжениях меньше разрядного, непременным условием прохождения тока является наличие внешнего ионизатора, непрерывно создающего электроны и ионы в межэлектродном пространстве. Если этот внешний ионизатор убрать, ток в промежутке немедленно прекращается, прекращается и ионизация под действием сил электрического поля. Процесс является несамостоятельным, т.е. он не может поддерживаться только за счет внутренних ресурсов самого промежутка. При напряжении, равном разрядному, процесс приобретает самостоятельный характер, т.е. он больше не нуждается в помощи внешнего ионизатора. Поэтому говорят, что условием пробоя промежутка является условие превращения разряда в самостоятельный.

Для того чтобы, ионизировать нейтральную молекулу, необходимо затратить определенную работу, которая называется энергией ионизации W_u . Эту работу принято измерять с помощью разности потенциалов U_u, проходя которую в электрическом поле, электрон приобретает энергию равную энергии ионизации. Величина U_u называется потенциалом ионизации и численно равна энергии ионизации, выраженной в электрон-вольтах. Энергия в 1 эВ равна совершаемой электрическим полем работе по перемещению электрона между двумя точками, разность потенциалов между которыми равна 1 В. Так как заряда электрона q =1,610^-19 Кл, то 1эВ = 1,610^-19 Дж.

Энергия ионизации некоторых газов:

Различают два вида ионизации: объемную (отделение электрона от нейтральной частицы) и поверхностную (эмиссия электронов с поверхности электрода).

Объемная ионизация происходит в газе, находящемся между электродами несколькими способами: