Теоретические положения. Цель работы: исследование влияния формы электродов и расстояний между ними на пробивное напряжение в воздухе при воздействии напряжения промышленной частоты

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВОЗДУХА В РАВНОМЕРНОМ И НЕРАВНОМЕРНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Лабораторная работа № 2

Цель работы: исследование влияния формы электродов и расстояний между ними на пробивное напряжение в воздухе при воздействии напряжения промышленной частоты.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля − электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

E_пр = ,

где h – толщина диэлектрика, см.

Воздух как диэлектрик имеет следующие положительные свойства:

– быстро восстанавливает прочность после пробоя;

– не стареет;

– имеет невысокую стоимость.

Поэтому воздух является изоляцией многих высоковольтных конструкций и аппаратов: линий электропередач, трансформаторов, выключателей и
т. д. Однако воздух имеет очень низкую прочность (существенно ниже, чем жидкие и твердые диэлектрики).Электрическая прочность воздуха зависит от давления, температуры и относительной влажности, а также формы электродов.

В лабораторной работе рассматриваются три стандартных промежутка:

– острие-плоскость;

– острие-острие;

– шар-шар.

Эти промежутки выбраны не случайно. Разрядные напряжения промежутка острие-плоскость близки к реальному промежутку провод-земля, а разрядные напряжения промежутка острие-острие – к реальному провод-провод.

Пробой воздуха обуславливается наличием ударной ионизации и фотоионизации. При наличии электрического поля свободные заряды (электроны и ионы) получают некоторую добавочную скорость в направлении поля и приобретают дополнительную энергию

W = q·U_λ,

где q – заряд частицы; U_λ – падение напряжения на длине свободного пробега.

Если поле однородно, то можно считать U_λ = E·λ, где Е – напряженность поля в газе; λ – средняя длина свободного пробега заряженной частицы. Отсюда получаем W = E∙q∙λ.

Электроны приобретают бóльшую энергию, так как они более подвижны и имеют бóльшую длину свободного пробега, чем ионы. При столкновении с молекулой газа электроны передают ей полученную от поля добавочную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул, то есть их расщепление на электроны и положительные ионы. Образовавшиеся электроны могут ионизировать новые молекулы. Так возникает нарастающий поток электронов − лавина. Условием, определяющим возможность ионизации, является

E·q·λ W_и,

где W_и – энергия ионизации молекулы.

Однако одной лавины не достаточно для пробоя воздушного промежутка. В небольших промежутках пробой происходит в форме стримеров, которые развиваются следующим образом. В большинстве случаев электрон, разгоняемый полем, не ионизирует молекулу, а приводит ее в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения, испуская фотон. Если фотон поглощается молекулой, то она может ионизироваться. Фотоны, обладая скоростью 3×10⁸ м/с, обгоняют лавины электронов и вызывают образование новых лавин, что приводит к быстрому нарастанию числа лавин и развитию токопроводящего канала – стримера. Как только заполненный плазмой стример достигнет другого электрода, происходит искровой пробой, сопровождающийся резким увеличением тока.

Дата добавления: 2014-12-27