Пробой газообразных диэлектриков кратко

Обновлено: 05.07.2024

Мы рассмотрели различные физические явления, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля не слишком высокой напряженности, когда диэлектрик остается практически непроводящей средой. Однако силы электрического поля при соответствующем увеличении напряженности могут привести к нарушению такого состояния. В результате диэлектрик из непроводящего состояния перейдет в состояние высокой проводимости, но не весь образец, на который подано напряжение, а только узкий канал, направленный от одного электрода к другому.

Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, неполным, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов, и частичным, если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности (в газе или в жидкости), называемый поверхностным пробоем.

Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением ( ).

Вольт-амперная характеристика образца диэлектрика (или электрической изоляции), линейная при обычных напряжениях (U), отклоняется от линейной с приближением U к Unp (рис. 9.13). В момент пробоя ток через диэлектрик резко возрастает, так что . В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между электродами образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает, несмотря на рост тока.

Рис. 9.13. Вольт-амперная характеристика электрической изоляции

Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности.

Значение Unp диэлектрика непосредственно связанно со временем приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения.

Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости Unp от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Пробивное напряжение (Unp) растет с увеличением толщины диэлектрика h.

Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле вводят понятие напряженности электрического поля, при которой происходит пробой:

Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью. Электрическая прочность (Епр) является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Пробой газов

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см 3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в сильном поле. При увеличении напряженности электрического поля электроны между двумя соударениями приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенном значении напряженности поля. Эта напряженность поля (Е) называется начальной напряженностью.

В некоторых газах (например в кислороде, углекислом газе, парах воды) отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических, значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

Пробой воздуха у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным перекрытием, возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На значение разрядного напряжения оказывает влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота напряжения, состояние поверхности диэлектрика, давления воздуха.

Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокими пробивными напряжениями, чем газы в нормальных условиях. Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектрических жидкостей зависят прежде всего от их чистоты. Электрический пробой тщательно очищенных жидкостей при кратковременном воздействии электрического поля происходит за счет сочетания двух процессов: ударной ионизации электронами и холодной эмиссии с катода. В соответствии с этим электрическая прочность тщательно очищенных жидкостей на два порядка выше, чем газов, и составляет примерно 100 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напряженность поля для того, чтобы электрон, двигаясь в более плотной среде с меньшей длиной свободного пробега (λ), накопил энергию, достаточную для ионизации.

Природу пробоя загрязненных и технически чистых жидкостей определяют процессы, связанные с движением и перераспределением частиц примесей.


Под действием высокого напряжения эти процессы приводят к возникновению таких вторичных явлений, как образование мостиков из твердых частиц или пузырьков газа, т.е. проводящих каналов. В частности, при работе жидкости в сильных полях, особенно высокой частоты, происходит ее нагрев и образование пузырьков пара. Поэтому характер пробоя жидких диэлектриков зависит от множества факторов, определяемых в значительной мере видом, размером, количеством и распределением примесей. Наличие мостиков и цепочек из твердых частиц сильно искажает поле между электродами. В результате, пробой жидкости происходит в неоднородном поле, что, в свою очередь, приводит к снижению электрической прочности жидкости.

Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем (нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т.д.). Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, электротепловой, электрохимический и ионизационный.

Электрический пробой – это пробой, обусловленный ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля.

Электрическая прочность (Епр) твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах – 100 – 1000 МВ/м, что близко к Епр сильно сжатых газов и очень чистых жидкостей. Значение Епр обусловлено главным образом внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью их связей) и слабо зависит от таких внешних факторов, как температура, частота приложенного напряжения, форма и размеры образца (за исключением очень малых толщин). Этот вид пробоя характерен для макроскопически однородных диэлектриков с малыми диэлектрическими потерями. Пробой этого вида протекает за время не более 10 -7 …10 -8 с и не обусловлен тепловой энергией. Значение электрической прочности при электрическом пробое, в некоторой степени зависит от температуры и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электротепловой (тепловой) пробой – это пробой, обусловленный тепловыми процессами, протекающими в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и приводящими к разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепла, выделяющегося в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, растрескиванию, обугливанию и пр. Значение пробивной напряженности при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому и ионизационному пробою, где пробивная напряженность может служить характеристикой материала, а именно его электрической прочности.

Электрохимический пробой обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение) при высоком напряжении возникают вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т.п. Электрическое старение особенно существенно при воздействии постоянного напряжения и сказывается в меньшей мере при переменном напряжении.

Ионизационный пробой – это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажной изоляции). При больших напряженностях поля в воздушных порах происходит ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все эти процессы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Епр.

Как указывалось, в твердых диэлектриках помимо объемного возможен и поверхностный пробой, т.е. пробой в жидком или газообразном диэлектрике, прилегающем к поверхности твердой изоляции. Так как Епр жидкостей и особенно газов ниже Епр твердых диэлектриков, а нормальная составляющая напряженности электрического поля непрерывна на границе раздела, то при одинаковом расстоянии между электродами в объеме и на поверхности пробой, в первую очередь, будет происходить по поверхности твердого диэлектрика. Чтобы не допустить поверхностный пробой, необходимо удлинить возможный путь разряда по поверхности. Поэтому поверхность изоляторов делают гофрированной, а в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика. Поверхностное Uпр повышают также путем герметизации поверхности электрической изоляции лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой электрической прочностью.

Пробой макроскопически неоднородных диэлектриков

Большинству диэлектриков, применяющихся на практике, присущи неоднородности различных видов. Так, например, керамические диэлектрики состоят из нескольких фаз (кристаллической и стекловидной), обладающих разными электрическими свойствами, и имеют большее или меньшее количество пор (воздушных включений). Прессованные и намоточные изделия имеют слоистое строение, их чередующиеся слои также обладают неодинаковыми диэлектрическими свойствами.

Для повышения электрической прочности пористых диэлектриков их пропитывают, заполняя поры жидким или твердеющим электроизоляционным материалом с высокой электрической прочностью. Так, для непропитанной кабельной бумаги Епр = 3…5МВ/м, а для пропитанной компаундом Епр = 40…80 МВ/м.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Диэлектрические материалы - Пробой газообразных диэлектриков

Пробой газообразных диэлектриков

Газообразные диэлектрики широко применяются в газонаполненных и вакуумных конденсаторах. Воздух является хорошим изолятором, но только в слабых полях. Электрическая прочность газообразных диэлектриков не превышает 2–3 МВ/м. Процесс пробоя обусловлен лавинным умножением электронов под действием ударной ионизации и фотоионизации.

Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1см 3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20 [2]. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою в достаточно сильном поле.

Известны два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа.

В некоторых случаях электрон, ускоренный электрическим полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в возбужденное состояние: электрон, находящийся внутри молекулы, переходит из равновесного состояния с меньшей энергией в состояние с более высокой энергией (на более удаленную от ядра орбиту). Такая возбужденная молекула в следующий момент (за 10 -7 с) отдает свою избыточную энергию в форме излучения - испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной концентрацией носителей заряда, которая достаточна для преобразования лавины в стример .

На рис. 2.13 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На рис. 2.13 лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и, таким образом, лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Волнистые линии исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотоны. Двигаясь со скоростью 3·10 8 м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ (рис. 2.13), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD.

clip_image056

Рис. 2.13. Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг другу, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10 12 ионам в 1 см 3 ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается, насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10 -7 –10 -8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

Электрическая прочность газов уменьшается с ростом расстояния между электродами, имеет немонотонную зависимость от давления с минимумом, соответствующим давлению, близкому к атмосферному.


  • Введение
  • 1 Общие сведения об электроматериалах
    • 1.2 Особенности строения твердых тел
    • 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
    • 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
    • 2.2 Основные свойства металлических проводников
    • 2.3 Металлы высокой проводимости
    • 2.4 Тугоплавкие металлы
    • 2.5 Благородные металлы
    • 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
    • 2.7 Некоторые другие металлы
    • 2.8 Сплавы высокого сопротивления
    • 2.9 Сплавы для термопар
    • 2.10 Тензометрические сплавы
    • 2.11 Контактные материалы
    • 2.12 Припои и флюсы
    • 2.13 Неметаллические проводящие материалы
    • 3.1 Электропроводность полупроводников
    • 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
    • 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
    • 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
    • 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
    • 3.6 Электрические переходы
    • 3.7 Основные полупроводниковые материалы
    • 4.1 Поляризация диэлектриков
      • 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
      • 4.1.2 Механизмы поляризации
      • 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
      • 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
      • 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
      • 4.2.3 Электропроводность газов
      • 4.3.1 Потери на электропроводность
      • 4.3.2 Релаксационные потери
      • 4.3.3 Резонансные потери
      • 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
      • 4.4.1 Пробой газов
      • 4.4.2 Пробой жидкостей
      • 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
      • 4.5.1 Газообразные диэлектрики
      • 4.5.2 Жидкие диэлектрики
      • 4.5.3 Твердые диэлектрики
      • 4.6.1 Сегнетоэлектрики
      • 4.6.2 Пьезоэлектрики
      • 4.6.3 Пироэлектрики
      • 4.6.4 Электреты
      • 4.6.5 Жидкие кристаллы
      • 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
      • 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
      • 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
        • 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
        • 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
        • 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
        • 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
        • 5.5.3 Магнитные потери
        • 5.6.1 Постоянные магниты
        • 5.6.2 Пермаллои
        • 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
        • 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
          • 6.2.1 Классификация резисторов
          • 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
          • 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
          • 6.2.4 Магниторезисторы
          • 6.2.5 Фоторезисторы
          • 6.3.1 Классификация конденсаторов
          • 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
          • 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
          • 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
          • 6.4.2 Классификация диодов
          • 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
          • 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
          • 7.1 Краткие сведения о датчиках
          • 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
          • 7.3 Электротермический эффект Пельтье
          • 7.4 Эффект Холла
          • 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
          • 7.6 Магнитоупругий эффект
          • 7.7 Фотоэффект
          • 7.8 Терморезистивный эффект
          • 7.9 Тензорезистивный эффект
          • 7.10 Пьезоэлектрический эффект
          • 7.11 Пироэлектрический эффект

          4.4.1 Пробой газов

          Число электронов, образующихся в течение 1 с в 1 см 3 воздуха под действием радиоактивности Земли или космических лучей, составляет от 10 до 20. Эти электроны являются начальными зарядами, приводящими к пробою газа в достаточно сильном поле.

          При увеличении напряженности Е электрического поля электроны между двумя соударениями приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа:


          ,           		(4.78)

          где е – заряд электрона;


          – длина свободного пробега;


          – энергия ионизации.


          При этом количество электронов у анода, образовавшихся в результате ударной ионизации, начатой первоначально одним электроном с поверхности катода, в соответствии с экспоненциальным законом размножения, достигнет величины (h – расстояние между электродами, или разрядный промежуток). Эти электроны распределяются в межэлектродном пространстве в виде компактного облачка, называемого электронной лавиной.


          Рисунок 4.32 – Процесс ударной ионизации

          Ударная ионизация электронами составляет основу пробоя газа. Однако электронная лавина сама по себе еще не достаточна для образования пробоя, так как не сознает проводящего пути между электродами. Следовательно, кроме ударной ионизации электронами, должны иметь место и другие явления, значительно влияющие на процесс формирования разряда. Характер этих явлений, сопровождающих ударную ионизацию электронами, определяет механизм пробоя газов.

          Известно два механизма пробоя газов: лавинный и лавинно-стримерный.

          При лавинно-стримерном механизме на развитие пробоя существенно влияет совместное действие поля пространственного заряда лавины и фотоионизации в объеме газа. Благодаря этим вторичным процессам электронная лавина создает повышенную концентрацию носителей заряда, которая достаточна для непосредственного преобразования ее в стример - канал с повышенной проводимостью газа. Стример представляет собой скопление ионизированных частиц, сильно превосходящее лавину по степени ионизации. После распространения стримеров (отрицательного и положительного) на весь межэлектродный промежуток происходит пробой газа. Рассмотрим этот процесс подробнее.

          На рисунке 4.33 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала – стримера – происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов.

          Описание: E:\4,20.bmp

          Рисунок 4.33 – Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа

          Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.


          Атомы, которые были возбуждены ударами электронов, вслед за этим испускают фотоны. Двигаясь со скоростью м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т.е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD.

          В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

          Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Это объясняется тем, что электронные лавины оставляют на своем пути большое число вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т.е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10 12 ионов в 1 см 3 ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10 -7 -10 -8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

          Электрическая прочность газов сильно зависит от давления (рисунок 4.34). При высоких давлениях Р увеличение связано с уменьшением длины свободного пробега электронов, а при малых Р – с уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа. На зависимости основано применение газов в качестве электрической изоляции в вакуумных конденсаторах, кабелях, заполненных газом под высоким давлением, и других устройствах высокого напряжения.


          Рисунок 4.34 – Зависимость электрической прочности газов от давления (пунктиром отмечено нормальное атмосферное давление)

          Электрическая прочность зависит также от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет (рисунок 4.35). Этот рост связан с уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами газа в межэлектродном промежутке. Существует экспериментально установленная закономерность, известная как закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа Р изменяются так, что их произведение остается постоянным, то величина пробивного напряжения не меняется, т.е. является функцией произведения Рh. Физически это означает, что в рассматриваемом случае одинаковые частицы в газовых промежутках получают на соответствующих длинах пути свободного пробега одинаковую энергию от поля.


          Рисунок 4.35 – Зависимость электрической прочности воздуха при нормальном давлении в однородном электрическом поле от расстояния между электродами


          Качественно закономерность объясняется следующим образом. Эффективность процессов ударной ионизации определяется, во-первых, средним числом столкновений электронов, приходящимся на единицу длины пути и, во-вторых, вероятностью того, что столкновение электрона с молекулой или атомом закончится ионизацией. Одновременное действие этих двух факторов при разном диапазоне значений Р и h обусловливает величину газового промежутка: при малых Рh в основном влияет первый фактор, а при больших – второй.

          В электрическом поле, необходимом для пробоя газа, положительные ионы движутся примерно в 100 раз медленнее, чем электроны, и поэтому накапливаются в промежутке, образуя объемный заряд. Наличие объемного заряда искажает поле и оказывает существенное влияние на пробой газа даже при плоскопараллельных электродах.

          Описанные выше закономерности наблюдаются при пробое в однородном поле, в котором значение Е постоянно. Такое поле можно получить, например, между плоскими электродами с закругленными краями или между шарами большого диаметра при малом расстоянии между ними (рисунок 4.36).



          Рисунок 4.36 – Формирование однородного электрического поля

          Механизм пробоя газов в неоднородном поле заметно отличается. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью (рисунок 4.37), между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними превышает диаметр сферы, и т. д.


          Рисунок 4.37 – Формирование неоднородного электрического поля


          В таких полях (например, в случае электродов игла - плоскость или игла - игла) происходит накопление объемного заряда около одного из электродов. Это обстоятельство определяет ход процесса даже при сравнительно низких напряжениях задолго до пробоя, причем ударная ионизация начинается не во всем объеме газа, а локализуется в местах наибольшей напряженности поля. Ввиду этого при напряжении, существенно меньшем (так называемом начальном напряжении), возникает корона; таким образом, пробой газа в неоднородном поле характеризуется двумя значениями напряжений: начальным (коронным) и пробивным.

          В связи с тем, что объемный заряд влияет на процесс пробоя газа в неоднородном поле, зависит от полярности электродов. Так, в случае электродов игла - плоскость выше при отрицательной полярности иглы, чем при положительной (рисунок 4.38, а).

          Объёмный заряд в случае отрицательной полярности острия (рисунок 4.38,б) ослабляет электрическое поле по направлению к плоскому электроду и затрудняет тем самым развитие разряда. При обратной полярности электродов (игла положительной полярности) пробой происходит при меньшем напряжении.


          Рисунок 4.38 – Пробой газов в неоднородном электрическом поле: а – пробивное напряжение в зависимости от полярности электродов; б, в – механизм пробоя для разных вариантов полярности

          Различие пробивных напряжений для разных полярностей электродов весьма существенно и возрастает с увеличением расстояния между электродами (рисунок 4.39).

          При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами.

          Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При частоте 50 Гц повышение относительной влажности воздуха с 60 до (80-90) %, например, снижает почти вдвое разрядные напряжения керамических изоляторов бочоночного типа.


          Рисунок 4.39 – Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле при Р = 0,1 МПа

          Во всех газах всегда имеется некоторое количество электрических заряженных частиц (электронов и ионов, а так же частицы твёрдых и жидких веществ, примеси), которые находятся в беспорядочном тепловом движении.

          Образование электрически заряженных частиц вызывается его ионизацией внешними источниками энергии: термическое воздействие, космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др. Внешние источники энергии сообщают часть энергии атомам газа, при этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяют от своих атомов, образуя положительные ионы. Образовавшиеся электроны могут длительно сохранять самостоятельное движение в газе или присоединяться к электрически нейтральным атомам и молекулам, образуя отрицательные ионы. Некоторые электроны и положительны ионы взаимодействуют друг с другом, образуя электрически нейтральные атомы и молекулы – рекомбинация.

          Под действием электрического поля электроны и ионы перемещаются, создавая электрический ток. При повышении напряжения, приложенного к газу, увеличиваются электрические силы, действующие на электроны и ионы, при этом увеличивается скорость частиц, следовательно, ток газа возрастает.

          Вольтамперная характеристика – это изменение тока от напряжения, приложенного к газу, выраженная графически в виде кривой.

          О бласть слабых электрических полей, ток в газе возрастает пропорционально приложенному напряжению согласно закону Ома.

          Ток не зависит от напряжения. Происходит накопление энергии заряженными частицами газа.

          Область ударной ионизации, ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения.

          У дарная ионизация – при высоких значениях напряжения скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения с нейтральными частицами. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам, в результате электроны отделяются от своих атомов и образуют новее электрически заряженные частицы (электрон и ион).

          Газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших, чем напряжения, при которых возникает процесс ударной ионизации.

          Пробой газообразных диэлектриков.

          Р азвитие процесса ударной ионизации приводит к пробою газа, в этот момент ток в газе резко возрастает, а напряжение стремится к нулю.

          где А – постоянный коэффициент;

          P – давление газа, Па;

          d – толщина газа в месте пробоя, м.

          С уменьшением давления и толщины газа пробивное напряжение уменьшается, но пройдя минимум, начинает снова возрастать. Область разряженного газа – резко уменьшается количество атомов и молекул, являющихся объектом ионизации, число носителей заряда. Область малых расстояний между электродами – сокращение длины пути и частицы не могут накапливать энергию для процесса ударной ионизации.

          Пробой в однородном электрическом поле происходит сразу в виде искры, которая может переходить в электрическую дугу.

          Пробой в неоднородном электрическом поле проходит ряд стадий:

          Н еполное электрическое разрушение газа у электрода-острия, т.к. у его поверхности наибольшая напряжённость электрического поля.

          Коронирующий разряд у поверхности электрода с наименьшим радиусом (видимая электрическая корона светло-фиолетового свечения, сопровождаемая шипением и образование озона О3 и оксида азота NO, которые являются окислителями).

          Коронирующий разряд переходит в искровой, т.е. полное электрическое разрушение газа.

          Читайте также: