Лабораторная работа № 2. Разряды в воздухе в слабо неоднородном поле.

2.1. Цель работы

Изучение влияния неоднородности электрического поля на разрядное напряжение между электродами в слабо неоднородном поле (“шар–шар”).

2.2. Программа работы

Ознакомиться с устройством испытательной установки и правилами безопасной работы.

Задание 1. Экспериментально определить разрядные напряжения воздушных промежутков шар - шар для квазиоднородного поля диаметрами D.

Задание 2. Экспериментально определить разрядные напряжения воздушных промежутков шар - шар при замене шаров с диаметром D₁< D, предварительно разведенные на заведомо большие расстояние.

Задание 3. По экспериментальным данным построить графики зависимости U = f (S).

Задание 4. Рассчитать зависимость U_p = f (S) по эмпирической формуле и

сопоставить результаты расчетов с данными измерений. Нанести на графики опытных данных расчетную зависимость.

2.3. Теоретические сведения

Оценка величин разрядных напряжений в воздушных промежутках имеет большое значение т.к. воздушная изоляция играет важную роль в различных высоковольтных конструкциях. Разрядные напряжения при данном расстоянии между электродами зависят от конфигураций электрического поля, времени воздействия напряжения, полярности электродов, атмосферных условий и других факторов.

В слабо неравномерных полях, где максимальный и средний градиент напряжения мало отличается друг от друга, коронное и разрядное напряжение практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико. Особенностью неоднородного поля является неравномерное распределение напряженности в пространстве между электродами (рис. 2.1). Если электроды имеют одинаковую форму, то на поверхности электродов напряженность поля имеет максимальное значение Е_max, а между электродами минимальное Е_min, (рис. 2.1).

Неоднородные электрические поля принято разделять на квазинеоднородные, слабо неоднородные и резко неоднородные в зависимости от того, в каких пределах разрядного промежутка α_эф > 0 и в какой форме реализуется разряд при выполнении условия самостоятельности.

В квазинеоднородном поле α_эф > 0 по всей длине промежутка, что приводит к его пробою. В слабо неоднородных полях α_эф > 0 значительной части промежут­ка, что также приводит к пробою. В резко неоднородных полях α_эф > 0 в узкой зо­не около электрода с меньшим радиусом при выполнении условия самостоятельно­сти пробоя не происходит, возникает так называемый коронный разряд.

В промежутке с неоднородным полем возможны 3 случая самостоятельного разряда.

1 .Начальная лавина пересекает весь промежуток S, после этого образуется анодный стример (как в однородном поле). Такие условия имеют место в проме­жутке шар-шар, при S = D/2 (где D - диаметр шаров).

2.Начальная лавина пересекает только часть промежутка, но после образова­ния стримера напряженность поля в оставленной не пробойной части промежутка обеспечивает распространение этого стримера вплоть до противоположного элек­трода.

3.Начальная лавина пересекает незначительную часть промежутка S и, обра­зовавшиеся стримеры, не могут распространятся до противоположного электрода. Самостоятельный разряд охватывает только часть промежутка, прилегающего к электроду с большим радиусом кривизны. Такой разряд называется коронным.

Поля, соответствующие первым двум случаям разряда, называют слабо неод­нородным, а выполнение условия самостоятельности разряда приводит к пробою.

В резко неоднородных промежутках, таких например, как стержень-плоскость, провод - плоскость, провод - провод и т.п., в которых радиус кривизны одного или обоих электродов может быть много меньше межэлектродного расстояния, при вы­полнении условия самостоятельности возникает особая форма разряда - коронный разряд. При коронном разряде ионизация происходит лишь вблизи одного из элек­тродов, если оба имеют малый радиус кривизны. Поэтому возникновение коронного разряда не означает полного пробоя промежутка.

Полный пробой резко неоднородного промежутка происходит при напряже­нии, больше начального, т.е. при наличии развитой короны. Поэтому пробивное на­пряжение зависит от формы коронного разряда. Очевидно, что при лавинной коро­не, которая выравнивает электрическое поле в промежутке, пробивное напряжение должно быть существенно выше, чем при стримерной короне, при которой напря­женность поля на концах стримеров всегда очень велика.

Установить четкую границу между двумя видами неоднородных полей труд­но. Можно принять, что для слабо неоднородных полей К_н > 2, а развитие разряда в резко неоднородных полях начинает отчетливо проявляться при

К_н > 4.

Типовым промежутком со слабо неоднородным полем является промежуток между двумя шарами, который получил широкое распространение в мировой прак­тике как прибор для измерения амплитудных значений постоянного, переменного и импульсного напряжения. Этим объясняется очень большое внимание к экспери­ментальному определению разрядных напряжений различных шаровых промежут­ков. При этом для соблюдения точности измерения в пределах ±3% максимально допустимое значение отношения S/D (D - диаметр шара) при измерениях не долж­ны превышать 0,75. В этом случае неоднородность поля невелика и в первом приближении его можно считать квазиоднородным. Измерения же при значениях S/D > 0,75 могут служить наглядной иллюстрацией влияния неоднородности поля на величину разрядного напряжения и позволяют произвести оценку коэффициента неоднородности электрического поля К_н.

На поверхности электродов (рис. 2.1) на­пряженность поля имеет максимальное значение, а в середине промежутка - мини­мальное. Степень неоднородности поля характеризуют отношением максимальной напряженности поля Е_m к средней Е_ср:

К_н=Е_m/Е_ср. (2.1)

Для однородного поля коэффициент К_н = 1, а в неоднородных полях он уве­личивается при увеличении расстояния между шарами S и уменьшении их диаметра D.

На рисунке 2.2 приведена зависимость коэффициента неоднородности поля К_н от расстояния S между двумя шарами при D = 20 см.

Выбор шарового разрядника в качестве измерительного искрового промежут­ка определяется следующими его свойствами:

1. Вольт - секундная характеристика шарового промежутка в большом интер­ вале времен представляет собой горизонтальную прямую линию, а следова­ тельно, разрядное напряжение промежутка не зависит от длительности приложения напряжения и закона его изменения во времени;

2. Из всех промежутков со слабо неоднородным полем шаровой промежуток легче всего выполнить, он имеет наименьшие размеры.

Расчет разрядных напряжений по эмпирической формуле для уединенных шаров не учитывает увеличения напряженности поля на незаземленном шаре в слу­чае реальных шаровых промежутков, т.к. измеряемое напряжение прикладывается между высоковольтными выводами и землей. При этом картина электрического по­ля между шарами приобретает вид, показанный на рисунке 2.3. Заряд, а следова­тельно, и напряженность поля на незаземленном шаре оказывается больше, чем на заземленном, и разряд всегда начинается в точке А на поверхности незаземленного шара, лежащей на оси промежутка (вертикальное расположение шаров) или в непо­средственной близости от нее (горизонтальное расположение шаров).