ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ

1.Терминология и определения

Электрическим пробоем изоляции называют явление потери изоляцией изоляционных свойств при превышении напряжением на изоляции критического значения. Это значение напряжения называют пробивным напряжением изоляции Uпр

Электрическим пробоем диэлектрика называется явление потери диэлектриком изоляционных свойств при превышении напряженностью электрического поля критического значения.

Электрической прочностью диэлектрика Епр называют среднее значение напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке непосредственно перед пробоем, поскольку проще всего измерять и оценивать именно эту величину:

,

S - расстояние между электродами.

Атомы и молекулы диэлектрика характеризуются очень сильной связью между собой заряженных частиц, так что в обычном состоянии все заряженные частицы связаны, взаимно компенсируют друг друга и перемещения заряженных частиц на расстояния, сопоставимые с расстоянием между электродами, не происходит.

При пробое происходит освобождение заряженных частиц, которые направленно перемещаются под действием сил электрического поля, создавая электрический ток.

Наиболее изученным является пробой газовых промежутков; механизмы пробоя жидких и твердых диэлектриков отличаются большим разнообразием и значительно более сложны. В то же время именно газовая изоляция (воздух) является основным видом изоляции в электроустановках и изучение поведения ее в электрических полях большой напряженности имеет первостепенное значение.

Электрическая прочность газового промежутка зависит как от расстояния между электродами, так и - в равной степени - от давления и температуры газа. Очень сильно на электрическую прочность изоляционного промежутка - и не только газового промежутка - влияет форма электродов. Кроме того, электрическая прочность сложным образом зависит от скорости нарастания напряжения, определяя возможности пробоя изоляционного промежутка от длительности приложенного напряжения.

По степени однородности электрического поля, зависящей от формы электродов, различают два вида изоляционных промежутков:

- изоляционные промежутки с однородным и слабонеоднородным электрическим полем (СНП);

- изоляционные промежутки с резконеоднородным электрическим полем (РНП).

Количественной характеристикой степени однородности поля является коэффициент неоднородности , представляющий собой отношение максимального значения напряженности электрического поля в изоляционном промежутке к среднему значению напряженности электрического поля.

К промежуткам с СНП относятся промежутки, у которых это промежутки с электродами типа плоскость - плоскость с закругленными краями или промежутки с электродами типа шар - шар, если радиусы шаров много больше расстояния между их поверхностями.

К промежуткам с РНП относят промежутки, имеющие

Наиболее резко выраженными изоляционными промежутками этого типа являются промежутки с электродами стержень - плоскость.

1.2. Виды токов в изоляции и вольтамперная характеристика газового промежутка

Изоляция электроустановки служит для предотвращения протекания электрического тока между изолируемыми частями. В нормальном состоянии через изоляцию могут протекать три вида токов: емкостные токи при переменном напряжении, которые зависят от емкости изоляции и могут быть большими по величине; абсорбционные токи (токи различных видов замедленной поляризации), сказывающиеся при постоянном и при переменном напряжениях; сквозные токи, чрезвычайно малые по величине, которые протекают при постоянном напряжении через длительное время после его включения.

Заряженные частицы, входящие в состав молекул и кристаллических решеток диэлектрика, достаточно прочно связаны в веществе и при условиях, близких к нормальным, не могут перемещаться на заметные расстояния.

Сквозные токи обусловлены небольшим количеством свободных заряженных частиц, образуемых за счет внешних ионизаторов, и эти свободные заряженные частицы способны перемещаться через изоляцию от одного электрода к другому.

Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика газового промежутка

В газовых изоляционных промежутках при небольших напряжениях выполняется закон Ома (рис. 1.1, область при повышении напряжения наступает насыщение, при котором все генерируемые внешними ионизаторами заряженные частицы достигают электродов и роста тока при росте напряжения не происходит (область, плотность тока при этом составляет примерно 10^-15 А/м² при напряженности поля около 0.6 В/м.

Только при больших напряжениях, когда возникает ионизация за счет большой напряженности электрического поля, начинается резкий рост электрического тока (область, приводящий к независимости разряда от внешних ионизаторов, то есть к его самостоятельности.

1.3. Диэлектрические потери и угол потерь

Любая изоляция нагревается при приложении к ней напряжения. Причиной нагрева являются сквозные токи через изоляцию, нагрев за счет замедленных видов поляризации, ионизация газовых включений в твердой изоляции и неоднородность структуры изоляции.

Диэлектрическими потерями называют мощность нагрева изоляции за счет приложенного к ней напряжения. Диэлектрические потери при переменном напряжении обычно существенно больше, чем при постоянном напряжении той же величины, что и действующее значение переменного напряжения, и основную роль в нагреве на переменном напряжении до начала ионизации чаще всего играют поляризационные потери.

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фазы между напряжением на изоляции и током через изоляцию. tg δ показывает соотношение между активной мощностью нагрева изоляции и реактивной емкостной мощностью в изоляции.

Понятие угла диэлектрических потерь применимо только для синусоидальных напряжений и токов.

Для определенности понятия емкости реальных конденсаторов или изоляции используют схемы замещения.

Чаще всего используют две простейшие схемы замещения, составленные емкостным элементом и резистивным элементом: последовательную и параллельную. Величина емкости не зависит от выбора схемы замещения только при малых диэлектрических потерях.

1.4. Пробой изоляции

Очень малая концентрация свободных заряженных частиц в диэлектрике приводит к очень малым сквозным токам в изоляции при небольших напряжениях. При пробое концентрация свободных заряженных частиц резко повышается. Это повышение обусловлено следующими шестью группами физических механизмов, из которых для газов имеют значение первые четыре группы механизмов.

1. При столкновении нейтрального атома или молекулы с частицей, движущейся с большой скоростью (чаще всего это электрон) может произойти отрыв электрона от нейтрального атома или молекулы с образованием свободного электрона и положительного иона.

Этот эффект называется ударной ионизацией, и он происходит, если кинетическая энергия ионизирующей частицы превышает энергию, необходимую для отрыва электрона (энергию ионизации), Wкин>=W_и. При таком процессе концентрация свободных зарядов увеличивается и растет электрический ток.

Количество носителей заряда уменьшается не только из-за переноса частиц на электроды, но и из-за явления рекомбинации, то есть нейтрализации иона частицей с противоположным по знаку зарядом.

2. Фотоионизация в объеме газа имеет место при воздействии жесткого электромагнитного излучения, к которому относятся ультрафиолетовые лучи, рентгеновское и гамма-излучение. Фотоионизация происходит в случае, если энергия кванта электромагнитного излучения не менее величины энергии ионизации, hνW_и , h - постоянная Планка, ν - частота электромагнитного излучения.

3. При обычных температурах в диэлектриках не происходит отрыва электронов при тепловых соударениях частиц, поскольку энергии теплового движения даже у самых быстрых частиц недостаточно для ионизации.

Термическая ионизация при тепловых соударениях становится заметной при температурах в тысячи градусов Цельсия.

4. В ряде случаев происходит эмиссия электронов с поверхности электродов (из катода), при которой электроны проникают вглубь диэлектрика. Различают четыре вида эмиссии:

- термоэлектронная эмиссия - освобождение электронов из катода при его нагреве; в отличие от термической ионизации требуется сравнительно небольшая температура в несколько сотен градусов;

- фотоэлектронная эмиссия - освобождение электронов при облучении катода коротковолновым электромагнитным излучением (эффект Столетова); для многих металлов достаточно облучения видимым светом;

- освобождение электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля порядка 10⁵ - 10⁶ В/см, которая может быть реализована на остриях;

- вторичная электронная эмиссия - освобождение электронов из катода при бомбардировке его тяжелыми частицами (положительными ионами).

5. Процессы пробоя жидких и твердых диэлектриков отличаются большим разнообразием и сложностью. В жидких диэлектриках большое значение имеют тепловые ионизационные процессы, то есть нагрев жидкости с ее разложением, приводящий к появлению газовых пузырьков и развитию в них процессов ионизации, поскольку газовые диэлектрики обычно имеют существенно меньшую электрическую прочность.

Другим важнейшим фактором пробоя жидкого диэлектрика является наличие в нем посторонних примесей (твердых примесей, влаги и газовых пузырьков), вызывающих локальное увеличение напряженности электрического поля.

6. В твердых диэлектриках пробой может вызываться как электрическими процессами (то есть ударной ионизацией), так и тепловыми процессами, возникающими под действием электрического поля.

Немалую роль в твердых диэлектриках играют и электрохимические процессы, то есть разложение твердого диэлектрика под действием химически активных ионизированных частиц. При электрических процессах сильно различаются электрические прочности диэлектриков однородной и неоднородной структуры. В случае разогрева диэлектрика под действием приложенного электрического поля происходит электротепловой пробой, а при ионизации газовых включений с разложением твердого диэлектрика сравнительно медленно развивается электрохимический пробой.

1.5.Пробой газового промежутка с однородным полем

За счет действия внешних ионизаторов в изоляции образуется некоторое число свободных электронов. В качестве таких ионизаторов обычно выступает естественная радиоактивность горных пород и космическое излучение.

Если в промежутке появится свободный электрон, то он будет ускоряться электрическим полем, при достаточно большой напряженности поля электрон до соударения приобретет кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации. После первого акта ионизации будет уже два свободных электрона; постоянно возрастающий поток электронов называется электронной лавиной.

Если после прохождения первой лавины и поглощения заряженных частиц электродами в результате актов вторичной ионизации появится новый свободный электрон (вторичная и фотоэлектронная эмиссия с катода, фотоионизация в объеме газа), то процесс будет самоподдерживающимся; такой разряд называют самостоятельным разрядом.

Для изоляционного промежутка с однородным электрическим полем это означает пробой промежутка.

Пробивное напряжение газового промежутка с однородным (ОП) и слабонеоднородным (СНП) электрическим полем зависит как от расстояния между электродами, так и от давления и температуры газа. Эта зависимость определяется законом Пашена, согласно которому пробивное напряжение газового промежутка с ОП и СНП определяется произведением относительной плотности газа δ на расстояние между электродами S,U _прf(δS). Относительной плотностью газа называют отношение плотности газа в данных условиях к плотности газа при нормальных условиях (20^о С, 760 мм рт. ст.).

Рис. 1.2. Вид зависимости закона Пашена

Первоначально закон был сформулирован для зависимости пробивного напряжения от расстояния между электродами и давления газа, при постоянстве температуры обе зависимости аналогичны. Характер зависимости показан на рис. 1.2. Значение (pS)* для нормальной температуры равно 0.57 см·мм рт. ст., так что нормальные давления соответствуют области, отображенной овалом на рис. 2.

В этой области зависимость U_пр=f(δ S) хорошо аппроксимируется выражением a и b - константы; в частном случае для воздуха ,

если Uпр - в киловольтах, S - в сантиметрах.

Особенности пробоя газового промежутка с резконеоднородным полем В промежутке типа стержень - плоскость (С-П) напряженность электрического поля у острия существенно больше средней напряженности поля в промежутке. При сравнительно небольшой средней напряженности поля у острия напряженность настолько велика, что там может происходить ударная ионизация с развитием электронных лавин и образованием проводящих каналов - стримеров.

Обладающие большой подвижностью отрицательные свободные электроны ответственны за образование новых заряженных частиц, а остающиеся после ионизации малоподвижные положительные ионы меняют распределение электрического поля в промежутке. Поскольку ионизация начинается всегда у острия, то при его положительной полярности положительный объемный заряд (ПОЗ) экранирует острие и затрудняет развитие ионизационных процессов вблизи острия, облегчая в то же время развитие разряда в оставшемся промежутке между ПОЗ и отрицательной плоскостью.

При отрицательном острие ПОЗ вблизи него резко интенсифицирует ионизацию вблизи острия, затрудняя развитие разряда в промежутке ПОЗ - положительная плоскость. Перечисленные факторы определяют основные отличия закономерностей пробоя промежутка С-П от промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, которые сводятся к следующему: электрическая прочность промежутка С-П существенно меньше электрической прочности промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем; так, при нормальных условиях электрическая прочность воздуха при расстояниях между электродами порядка десятков сантиметров составляет примерно 30 кВ/см для однородного поля и снижается до единиц киловольт на сантиметр для промежутка С-П; ъ

при сравнительно небольших напряженностях электрического поля в промежутке С-П наблюдается явление короны, то есть самостоятельного электрического разряда вблизи стержня, сопровождающегося свечением и потрескиванием, при котором только часть промежутка становится проводящей, а промежуток в целом сохраняет изоляционные свойства; напряжение начала короны зависит от полярности стержня; при отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном острие;

эффект полярности наблюдается и при пробое промежутка С-П: при положительном стержне напряжение пробоя в 2 - 2.5 раза меньше, чем при отрицательном стержне.

1.7 Пробой газового промежутка при импульсном напряжении

При кратковременном приложении напряжения, когда время приложения напряжения сопоставимо со временем развития пробоя, процесс пробоя изменяется с изменением пробивного напряжения по сравнению с ситуацией медленно нарастающего напряжения.

Пробивное напряжение зависит от скорости подъема напряжения на изоляционном промежутке, поскольку вначале требуется некоторое время для достижения статического пробивного напряжения, затем требуется время на появление первого эффективного электрона, с которого начинается развитие пробоя, и затрачивается какое-то время на формирование канала разряда.

Все составляющие предразрядного времени зависят от скорости подъема напряжения и, в общем, от формы импульса напряжения.

Разрядное напряжение оказывается связанным с предразрядным временем, и эта зависимость называется вольт-секундной характеристикой изоляционного промежутка.

Кратковременные повышения напряжения происходят при разрядах молнии в оборудование или при близких разрядах молнии. Для обеспечения защиты оборудования от перенапряжений с помощью защитного разрядного промежутка требуется, чтобы при быстром подъеме напряжения пробивался защитный промежуток.

Вольт-секундные характеристики изоляции оборудования определяют при параметрах импульса, близких к средним параметрам грозовых перенапряжений. Эти параметры определяются ГОСТ 1516.2-97, а соответствующий импульс называется стандартным грозовым импульсом.

Определение характеристик изоляции на стандартном грозовом импульсе обеспечивает сопоставимость результатов испытаний и возможности защиты изоляции от грозовых перенапряжений.

ГОСТ 1516.2-97 определяет время нарастания импульса напряжения и длительность импульса. Для выделения наиболее значимой части импульса на его фронте (рис. 1.3) проводят прямую линию через точки, соответствующие 0.3 и 0.9 амплитуды импульса и по пересечению этой линией оси абсцисс и линии максимального значения импульса определяют длительность фронта τ_ф , а по времени достижения спада импульса до половины максимального значения определяют длительность импульса τ_и .

Для стандартного грозового импульса τ_ф=1.2 мкс + 30%, τ_и=50 мкс + 20%.

Рис. 1.3. Определение параметров апериодического импульса

Вольт-секундные характеристики имеют особое значение в вопросах защиты оборудования от перенапряжений, когда защитными элементами служат искровые промежутки, вентильные и трубчатые разрядники. При воздействии грозовых перенапряжений факт пробоя защитного промежутка или защищаемой изоляции определяется видом вольт-секундных характеристик и их взаимным пересечением (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Вольт-секундные характеристики промежутков разных типов

Вольт-секундные характеристики промежутков с однородным и слабонеоднородным электрическим полем имеют более пологий вид по сравнению с промежутками с резконеоднородным полем. Защитный промежуток 1 (рис. 1.4) не обеспечит защиту изоляции S2 при предразрядных временах менее t _пр^*, хотя на частоте 50 Гц пробивное напряжение S1 может быть меньше, чем у S2.

Из-за сложности получения вольт-секундных характеристик часто пользуются более простым пятидесятипроцентным пробивным напряжением, под каковым понимают амплитуду такого стандартного грозового импульса, при котором из десяти поданных на промежуток импульсов пять приводят к пробою промежутка, а оставшиеся пять - нет.

1.8. Перекрытие изоляции

Перекрытием называют разряд по границе раздела двух сред, чаще всего это граница твердый диэлектрик - газ. Напряжение перекрытия U_пер всегда существенно меньше пробивного напряжения U_пр< чисто газового промежутка с теми же электродами.

Основными причинами этого эффекта считают влияние газовых включений между металлом электрода и твердым диэлектриком, влияние микрокапель влаги и накопление объемных зарядов на боковой поверхности изолятора. Для увеличения U_перприменяют ребристые конструкции изоляторов.

Напряжение перекрытия проходного изолятора обычно в несколько раз меньше напряжения перекрытия опорного изолятора при одинаковой длине пути перекрытия. Связано это с близким расстоянием между разнопотенциальными электродами в проходном изоляторе, из-за чего ионизация на фланце изолятора начинается при весьма небольшом напряжении. Большая емкость между каналом разряда и внутренним электродом приводит к сравнительно большому емкостному току между каналом разряда и внутренним электродом, что приводит к нагреву канала и большей его стабильности.

РЕЗЮМЕ

Превышение напряжения на изоляции выше критического значения приводит к пробою изоляции. Значение пробивного напряжения зависит от свойств изоляционного материала, структуры электрического поля в изоляционном промежутке и скорости нарастания пробивного напряжения на промежутке.

Пробой изоляции происходит из-за явлений ударной ионизации, фотоионизации в объеме газа, термической ионизации, эмиссии электронов из катода. В жидкостях особое значение имеют тепловые процессы и наличие примесей, в твердой изоляции при пробое происходят электрические, тепловые и электрохимические процессы.

Пробивное напряжение газового промежутка с однородным и слабонеоднородным электрическим полем зависит от произведения относительной плоскости газа на расстояние между электродами. Эта зависимость характеризуется снижением электрической прочности при увеличении расстояния между электродами при условиях, близких к нормальным и имеет минимум при очень низких давлениях или очень малых расстояниях между электродами.

Разрядный промежуток с электродами типа стержень - плоскость характеризуется существенно меньшей электрической прочностью по сравнению с промежутком с однородным и слабонеоднородным электрическим полем, наличием явления короны и двойным эффектом полярности.

При отрицательном стержне корона начинается при существенно меньшем напряжении, чем при положительном, а пробивное напряжение при положительном стержне меньше, чем при отрицательном.

При быстром подъеме напряжения разрядное напряжение оказывается связанным с предразрядным временем, эта зависимость называется вольт-секундной характеристикой изоляционного промежутка. Вольт-секундная характеристика определяется на стандартных грозовых импульсах.

Напряжение перекрытия проходных изоляторов существенно меньше напряжения перекрытия опорных изоляторов при одинаковой длине пути перекрытия.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение пробоя и приведите основные величины, его характеризующие.

2.Приведите отличия понятий <пробой диэлектрика> и <пробой изоляции> и отличия их количественных характеристик.

3.Перечислите механизмы пробоя диэлектриков.

4.Сформулируйте закон Пашена. Каковы причины такой зависимости?

5.Почему существует зависимость разрядного напряжения от предразрядного времени?

6.Каковы параметры стандартного грозового импульса?

7.Что такое <вольт-секундная характеристика>?