Электрический пробой газа в однородном поле
Пробой газав однородном полепроисходит в результате развития стримера путём ударной и фотонной ионизации
Небольшое количество свободных электронов образуется в газе под действием солнечных и космических излучений либо радиоактивного излучения Земли. Содержащиеся в газе электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. При воздействии напряжённости электрического поля электрон начинает двигаться с ускорением, приобретая дополнительную энергию. Дополнительная энергия электрона сообщается атомам или молекулам газа, с которыми он сталкивается. Если энергия достаточно велика, при столкновении электрона с атомом происходит его ионизация, т. е. расщепление на электрон и положительный ион. Значения энергии ионизации различных газов лежат в пределах от 4 до 25 эВ. В результате ударной ионизации число свободных электронов и ионов лавинообразно нарастает
Если в процессе ускорения электрон не смог набрать энергию, достаточную для ионизации атома, он переводит атом в возбужденное состояние, изменяя структуру его электронной оболочки. В следующий момент этот «возбужденный» атом возвращается в спокойное состояние, отдавая свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. При этом направление движения испускаемых фотонов не зависит от электрического поля, а скорость близка к скорости света. При поглощении фотона другим атомом возможна его ионизация. Внутренняя фотонная ионизация газа, благодаря большой скорости распространения излучения, приводит к особо быстрому развитию стримеров – каналов с повышенной проводимостью газа
|
|
|
Схема, представленная на рисунке 1.2, поясняет, почему рост электропроводящего канала (стримера) происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. Волнистыми линиями изображены пути фотонов. Фотоны обгоняют лавину и ионизируют частицы газа. Зарождается новая лавина. Нагоняя друг друга, отдельные лавины сливаются в сплошной канал ионизированного газа
Экспериментально установлен закона Пашена – зависимость пробивного напряжения от произведения давления p на расстояние между электродами h Uпр = F (p h)График этой зависимости изображён на рисунке 1.3, а.
На графике виден явно выраженный минимум и две восходящие ветви. Анализируя закон Пашена, следует отметить, что минимальное напряжение, при котором может произойти пробой воздуха, составляет около 300 В
Разделим обе координаты на h и получим зависимостьэлектрической прочности Eпр от давления p при неизменном расстоянии между электродами, изображённую на рисунке 1.3, б. При увеличении давления электрическая прочность газа возрастает в результате уменьшения расстояния между молекулами и, соответственно, длины свободного пробега электронов. При малых давлениях увеличение электрической прочности объясняется уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа на их пути к положительному электроду
|
|
|
Из графиков следует два вывода: 1 При проектировании высоковольтного оборудования следует учитывать толщину возможных разрядных промежутков. 2 Для увеличения электрической прочности газовой изоляции следует либо откачивать газы до вакуума, либо сжимать их повышенным давлением. При нормальном давлении 1 см воздуха пробивается при напряжении около 30 кВ, что можно использовать для проверки наличия высокого напряжения, например в телевизорах и мониторах с электронно-лучевыми трубками
Электрическая прочность газа зависит от его химического состава. Особо высокая электрическая прочность у тяжелых газов, содержащих фтор и хлор. Во внешней электронной оболочке галогенов не хватает всего одного электрона, и они легко захватывают свободный электрон, выключая его из процесса ионизации. Инертные газы обладают пониженной электрической прочностью, что используется при образовании плазмы в газоразрядных приборах. Ещё меньше электрическая прочность паров металлов, из которых наибольшее техническое применение нашли пары ртути и натрия
|
|
|
1.6 Особенности пробоя газа в неоднородном поле Пробой газа в неоднородном поле происходит при меньшем напряжении, чем в однородном. Для исследования этого процесса используют поле между остриём и плоскостью. Зависимость пробивного напряжения от расстояния при различной полярности электродов показана на рисунке 1.4.
Вблизи острия напряжённость поля выше, чем на удалении, и если она достигает критических значений, на острие возникает частичный разряд (ЧР), сопровождаемый свечением и негромким звуком. Свечение на концах мачт в грозу назвали «огнями святого Эльма», это же явление можно наблюдать на острых шпилях зданий и громоотводах. Частичным разряд называют потому, что вдали от острия условия ударной ионизации не соблюдаются, и пробоя не происходит. Однако фотонная ионизация происходит во всём объеме разрядного промежутка, что приводит к значительному уменьшению пробивного напряжения, особенно при положительной полярности острия
В результате ионизации вблизи острия образуются электроны и ионы. При положительной полярности острия электроны быстро нейтрализуются на нём, а малоподвижные положительно заряженные ионы создают объёмный заряд, который фактически является продолжением острия и сокращает эффективную длину разрядного промежутка.При отрицательной полярности острия объёмный положительный заряд играет роль экрана, сглаживающего неоднородности поля в разрядном промежутке.При возрастании напряжения в неоднородном поле вначале возникает частичный разряд вблизи острия. По мере увеличения напряжения корона переходит в искровой разряд
|
|
|
Негативное воздействие частичных разрядов: 1 Уменьшают напряжение пробоя изоляционного промежутка. 2 При ЧР образуются активные газы, разрушающие изоляцию. Под действием этих газов, особенно озона, в присутствие воды в твёрдой изоляции развиваются водяные дендриты , прорастающие вглубь материала подобно корням деревьев, что со временем приводит к пробою изоляции. 3 Электрическая энергия ЧР переходит в тепловую и световую.4 Частичные разряды являются источником радиопомех.Задача проектировщика высоковольтного оборудования – сгладить неоднородности поля, чтобы не было частичных разрядов
Поверхностный пробой (перекрытие изоляции) можно наблюдать при испытании и эксплуатации твёрдых диэлектриков с высокой электрической прочностью. В случае поверхностного пробоя структура твёрдого диэлектрика не нарушается, однако пробивное напряжение вдоль поверхности твёрдого диэлектрика значительно меньше, чем в воздухе при той же длине разрядного промежутка, особенно при повышенной влажности и загрязнении этой поверхности
Для предотвращения поверхностного пробоя необходимо по возможности увеличивать длину разрядного пути вдоль поверхности твёрдого диэлектрика. Этому способствуют: − создание ребристой поверхности изоляторов, − проточка разного рода канавок, − изготовление конструкций с «утопленными» электродами. Повышение рабочих напряжений достигается также: - сглаживанием неоднородностей электрического поля за счёт изменения формы электродов или оптимизации конструкции изолятора, - за счёт нанесения на поверхность изолятора полупроводящих покрытий или диэлектрических плёнок с повышенной диэлектрической проницаемостью
1.7 Изоляционные газы и жидкости Для высоковольтной изоляции наиболее широкое применение находит элегаз (электрический газ, гексафторид серы SF6). Он инертен по отношению к меди и алюминию, химически стоек до 800 °C. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза больше, чем у воздуха, что позволяет значительно уменьшить объём и массу газонаполненного электрооборудования, по сравнению с воздушным.
Элегаз применяется: - в герметизированных распределительных устройствах,- конденсаторах,- трансформаторах,- выключателях;- высоковольтных кабелях. Газонаполненные (элегазовые) кабели просты по своей конструкции, имеют малые емкостные (зарядные) токи. Трансформаторы с элегазовым заполнением взрывобезопасны. В высоковольтных выключателях элегаз применяется благодаря его высоким дугогасящим свойствам
Основные недостатки:
опасны разряды в элегазе в присутствии органической изоляции, так как образуются химически очень активные и ядовитые вещества; сравнительно высокая стоимость.
В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешёвым азотом
Перспективны перфторированные углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены фтором. Соединения от CF4 до C4F10 в нормальных условиях являются газами с электрической прочностью большей, чем у воздуха в 6–10 раз, также фреон CCl2F2 – в 2,5 раза.
Жидкие диэлектрики, благодаря большей плотности, отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы.Пробой технически чистых жидкостей объясняют частичным перегревом жидкости и вскипанием её в местах наибольшего количества примесей, что приводит к образованию газового мостика, по которому и происходит пробой
Наибольшее распространение получило трансформаторное масло – жидкость от почти бесцветного до тёмно-жёлтого цвета, представляющая собой смесь различных углеводородов. Получается из нефти посредством её ступенчатой перегонки с последующей тщательной очисткой от химических примесей. Основные области применения трансформаторного масла: - силовые маслонаполненные трансформаторы - высоковольтные масляные выключатели. Заполняя поры волокнистой изоляции, масло существенно повышает её электрическую прочность, улучшает отвод тепла от обмоток и сердечников, а в масляных выключателях способствует гашению электрической дуги, возникающей между расходящимися контактами
При работе в электрических устройствах масло постепенно ухудшает свои характеристики (стареет), становится более тёмным. В нём образуются загрязняющие продукты – кислоты, смолы как растворимые в масле, так и не растворимые – “ил”, который осаждается на дно бака и на погруженные в масло детали, значительно ухудшая отвод тепла. Кроме того, образующиеся кислоты разрушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию металлов
Скорость старения масла возрастает:- при доступе воздуха (окисление кислородом, озоном), - повышении температуры,- соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т. д.),- воздействии светавоздействии электрического поля высокой напряжённости, - под воздействием дуги
Регенерация масла, т. е. удаление из масла продуктов старения, осуществляется обработкой его адсорбентами (особые типы глин или искусственные материалы), поглощающими влагу и примеси полярного характера. Для замедления старения масла применяются:- воздухоочистительные фильтры, - ингибиторы (антиокислительные присадки),- используется азотная защита и т. д. Для удаления влаги производят термическую сушку трансформаторного масла
По своим электрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло имеет свойства неполярного диэлектрика: ε = 2,2 ...2,3; tg d £ 0,003; r = 1012 ... 1013 Ом×м (характеристики приведены для t = 20 °C и f = 50 Гц).Практически важные свойства трансформаторного масла нормируются стандартом ГОСТ 982 – 80. К ним относятся:- кинематическая вязкость, - температура вспышки паров, - температура застывания - кислотное число. Электрическая прочность трансформаторного масла стандартом не нормируется, но предусматривается правилами технической эксплуатации электростанций (ПТЭ).Недостатком трансформаторного масла является его горючесть
Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов и отличается особо тщательной очисткой адсорбентами.Кабельные масла используются для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Для увеличения вязкости в них добавляют канифоль или синтетический загуститель.Полиизобутилен низкой степени полимеризации отличается от нефтяных масел лучшими диэлектрическими свойствами, используется в бумажных конденсаторах и для пропитки бумажной изоляции кабелей (нестекающая изоляция)
Совол (С12Н5Cl5) представитель хлорированных углеводородов. Полярный диэлектрик, e = 4,5 ... 5, применяется для пропитки изоляции бумажных конденсаторов. Совол не горюч, химически нейтрален ко всем видам изоляции и не окисляется на воздухе даже при небольшом нагреве. Однако из-за возможности образования токсичных соединений при высокой температуре хлорированные углеводороды в технически передовых странах выводят из употребления
Кремнийорганические жидкости нетоксичны, не гигроскопичны, нагревостойки. Применяются для пропитки конденсаторов, заливки маломощных трансформаторов и других устройств. Основу любого кремнийорганического диэлектрика составляет силоксановая цепь атомов – Si – O – Si – O –Si –. Кремнийорганические жидкости по своим электрическим характеристикам приближаются к неполярным диэлектрикам e = 2,4...2,5; tgd = (2 ... 3)×10–4; r = 1011... 1012 Ом×м; Uпр ³ 45 кВ (в стандартном разряднике при расстоянии между электродами 2,5 мм). Температура вспышки паров кремнийорганических жидкостей нормируется не ниже 300 °С, при более высоких температурах эти жидкости самовоспламеняются. Как и другие кремнийорганические диэлектрики, эти жидкости весьма дорогие
Фторорганические жидкости имеют высокие электрические характеристики, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость (200 °С и выше), очень высокую химическую стойкость, негорючи, дугостойки, взрывобезопасны. Обеспечивают интенсивный отвод тепла от обмоток и магнитопроводов, особенно в режиме «кипящей изоляции». Очень дорогие.
Дата добавления: 2022-11-11; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!