Электрическая прочность газообразных диэлектриков

Механизм пробоя

Пробой газообразных диэлектриков имеет электрический характер и включает следующие стадии:

1. Фотоионизация катода.

Под действием внешнего ионизатора (световое излучение, температура и др.) инициируется процесс фотоэмиссии электронов из катода с образованием в диэлектрике первичных свободных электронов:

Ме + hν → Ме⁺ + e (12)

где hν – энергия фотона, h – постоянная Планка, ν– частота колебаний.

2. Образование первичных электронных лавин.

Первичные электроны ускоряются электрическим полем до скорости 10⁶ м/с и вызывают ударную ионизацию нейтральных атомов или молекул (М) газа, сопровождающуюся образованием первичных электронных лавин:

М + e → М⁺+2е;

2е+ 2М → 2М⁺+4е;

4е+ 4М → 4М⁺+8е

и т.д.

Электронная лавина имеет форму конуса с вершиной, направленной в сторону катода и состоит положительных ионов газа (для воздуха это О₂⁺, N₂⁺, NО⁺ и др.) и электронов.

3. Образование вторичных электронных лавин.

Вторичные электронные лавины образуются по механизму внутренней фотонной ионизации.

Некоторые электроны при столкновении с нейтральными молекулами «прилипают» к ним и передают им энергию. Возникают возбужденные молекулы. Эти молекулы излучают квант электромагнитной энергии (фотон), который, распространяясь со скоростью света (3·10⁸ м/с) ионизируют газ впереди первичной лавины и создают вторичные лавины:

М + e → М^·;

М^· → М + hν;

hν + М → М⁺+е;

е+ М → М⁺+2е;

2е+ 2М → 2М⁺+4е;

и т.д.

4. Слияние электронных лавин и образование стримера.

Стример – токопроводящий канал между анодом и катодом, состоящий, главным образом, из положительных ионов газа.

5. Пробой газа.

Положительные ионы бомбардируют катод и создают в нем высокотемпературное «катодное пятно», излучающее электроны. Электроны устремляются к аноду. Этот процесс наблюдается в межэлектродном пространстве как искра, а при большой мощности источника напряжения в виде непрерывного дугового разряда.

(а)

(б)

(в)

е

Рис. 22.3. Механизм пробоя газообразных диэлектриков: а – фотоионизация катода и образование первичной электронной лавины; б - образование вторичных электронных лавин; в – образование стримера

Зависимость Е_пр газообразных диэлектриков от различных факторов

Зависимость Е_пр от давления (рис. 22.4)

Рис. 22.4. Зависимость Е_пр газообразного диэлектрика от давления

Участок I – глубокий вакуум; имеет очень высокую электрическую прочность ввиду отсутствия молекул и атомов для ионизации. Пробой обусловлен явлением «холодной эмиссии» электронов – то есть вырыванием электронов из металлического катода под действием электрического поля.

Участок II – при увеличении давления увеличивается плотность газа, увеличивается вероятность образования электронных лавин, поэтому E _пр уменьшается.

Участок III - при увеличении Р увеличивается плотность газа и уменьшается длина свободного пробега электронов λ. Следовательно, в соответствии с (3), здесь для достижения электроном энергии ионизации газа W _и требуется большая напряженность электрического поля E ипоэтому E _пр увеличивается.

Газы под высоким давлением применяются в качестве изоляции и кабелях и конденсаторах высокого напряжения.

Зависимость Е_пр от частоты напряжения (рис. 22.5)

Участок I – до f = 10⁴ Е_пр не зависит от частоты напряжения, здесь время перемещения электронов и ионов к электродам меньше полупериода приложенного напряжения (Т /2), то есть все заряды достигают электродов.

Рис. 22.5. Зависимость Е_пр газообразного диэлектрика от частоты напряжения

Участок II – при увеличении f за время Т /2 ионы на успевают достигать электродов, создаются положительные объемные заряды, которые увеличивают локальную E. Следовательно, в соответствии с (3), здесь для достижения электроном энергии ионизации газа W _и требуется меньшая λ и увеличивается вероятность образования электронных лавин. Поэтому E _пр уменьшается.

Участок III – при увеличении f за время Т /2 электроны на успевают достигать электродов, создаются отрицательные объемные заряды, которые увеличивают локальную E.

Участок IV – при увеличении f время формирования электронных лавин становится больше Т /2, уменьшается вероятность образования стримера. Поэтому E _пр увеличивается.

Зависимость Е_пр от расстояния между электродами h и влажности газа

Уменьшение h приводит к уменьшению λ и, следовательно, в соответствии с (3), для достижения электроном энергии ионизации газа W _и требуется большая напряженность электрического поля E. Поэтому E _пр увеличивается (рис. 22.6).

Вода имеет низкую энергию ионизации, следовательно, при увеличении влажности газа его энергия ионизации будет уменьшаться и она может быть достигнута при меньшей Е. Следовательно, Е_пр газа при увеличении влажности будет уменьшаться.

Рис. 22.6. Зависимость Е_пр газообразного диэлектрика от расстояния между электродами h и влажности газа

Закон Пашена

Закон устанавливает, что для каждого газа существует минимальное значение пробивного напряжения U_пр.min в зависимости от произведения давления Р на расстояние между электродами h (рис. 22.7).Приведенные нарис. 22.7 данные справедливы для неионизированного газа в однородном электрическом поле при частоте 50 Гц.

Рис. 22.7. Зависимость пробивного напряжения U _пр

Р¹  

газов от произведения давления Р на расстояние между электродами h

Для снижения пробивного напряжения газоразрядных приборов их заполняют инертными газами (Ne, Хе и др.), а электроды изготавливают из металлов с присадкой щелочных металлов (Nа, К и др.), имеющих малую работу выхода электрона.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле

Неоднородное электрическое поле возникает между электродами плоскость – игла, коаксиальными цилиндрами, сферическими поверхностями если расстояние между ними более диаметра сфер, между проводами линий электропередач (рис. 22.8).

Корона

D > d

df

D  

Электроды

(а) (б) (в)

Рис. 22.8. Неоднородное электрическое поле между электродами: (а) - плоскость – игла, (б) - коаксиальными цилиндрами, (в) - сферическими поверхностями

В неоднородном поле электрическая прочность диэлектриков ниже. чем в однородном поле, так как средняя напряженность поля оказывается выше номинальной напряженности. В области повышенной Е возникает неполный пробой в виде коронного разряда, который представляет собой область ионизированного газа со слабым свечением и характерным шипением. При возрастании напряжения или увеличении влажности диэлектрика коронный разряд переходит в искровой или дуговой разряд.

Дата добавления: 2017-01-13