Пробой газов в однородном электрическом поле

Длительность развития пробоя газов обычно составляет 10^-7 – 10^-8 с (при h = 1 см). Чем больше приложенное напряжение, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то величина Е_пр повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса β:
где U_пр – пробивное напряжение при данном импульсе; U_пр0 – пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении частотой 50 Гц.
Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях доходит до 1.5.
Электрическая прочность газов зависит от степени неоднородности электрического поля, в котором происходит пробой. Чем выше неоднородность поля, тем ниже Е_пр.
Поле является однородным, если вектор напряженности поля Е во всех его точках одинаков. В противном случае (вектор Е имеет разные значения) поле считается неоднородным. На практике идеальное однородное поле не встречается. Наиболее однородное поле можно получить с помощью электродов Роговского; считается, что их форма соответствует эквипотенциальным поверхностям, рассчитанным аналитически из условия однородности электрического поля в средней части межэлектродного пространства. Слабонеоднородное электрическое поле получают между шаровыми электродами, если расстояние h между ними меньше их радиуса r (h < r), а также между плоскими электродами с закругленными краями. Неоднородное поле возникает в промежутке между двумя коаксиальными цилиндрами, а резконеоднородное поле – в промежутке стержень – плоскость и стержень – стержень.
В электрическом поле с односительно высокой однородностью пробой наступает практически мгновенно (τ = 10^-7 – 10^-8с) при строго определенном значение напряжения, зависящем от ряда факторов (см. ниже). Веричина Е_пр в однородном поле имеет наибольшее значение; для воздуха при нормальных условиях и h = 1 см Е_пр = 3.2 МВ/м (32 кВ/см). При достижении значения Е, равного Е_пр, между электродами возникает искра, которая при достаточной мощности источника напряжения переходит в дугу.
Зависимость электрической прочности газов от давления. Зависимость E_пр газов от давления Р, представленная на рис. 5.4, показывает, что с увеличением давления (выше атмосферного) Е_пр возрастает (участок ОА), а с уменьшением – снижается (участок ОБ). В области высокого вакуума (участов БВ) Е_пр снова возрастает и далее не изменяется (участок ВГ). Такой характер зависимости Е_пр газов от давления обьясняется следующим. При значениях давления выше нормального (участок ОА) газ сжимается и, следовательно, уменьшается средняя длина свободного пробега λ электрона. Поэтому для выполнения условия пробоя (W ≥ W_и) необходимо повысить напряженность электрического поля Е (см. формулу (5.2)). Наоборот, при разряжении газа (участок ОБ) λ возрастает, и при этом электроны могут приобрести добавочную энергию W ≥ W_и даже при меньшем значении напряженности поля. В области высокого вакуума (участок БВ) Е_пр возрастает, так как в результате сильного разряжения газа уменьшается число молекул в единице объема и снижается вероятность столкновения электронов с молекулами. При еще более высоком вакууме (участов ВГ) Е_пр достигает вемьма большого значения (порядка 10² МВ/м), не изменяющегося с дальнейшим увеличением разряжения. Пробой в данном случае объясняется явлением эмиссии электронов из катода (см. гл. 12.3.2), и Е_пр становится зависимой от природы металла и состояния поверхности электродов
где U_пр – пробивное напряжение воздуха при данных температуре и давлении; U_пр0 – пробивное напряжение воздуха при нормальных условиях (Т = 20 ^оС, Р = 0.1 МПа); δ – относительная плотность воздуха;

Где Т – температура, ^оС; Р – давление, Па. При нормальных условиях δ = 1.
Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами и их формы. Зависимость Е_пр газов от расстояния h между электродами представлена на рис. 5.5, из которого видно, что при уменьшении расстояния между электродами (при h < 5 мм) Е_пр значительно возрастает и при h = 0.005 мм Е_пр воздуха достигает 70 МВ/м. Рост электрической прочности в данном случае вызван трудностью формирования разряда из-за малого расстояния между электродами. Уменьшение h приводит к уменьшени.λ и, следовательно, к увеличению Е_пр (см. формулу (5.2)). Небольшое снижение Е_пр при h > 50мм (см. рис. 5.5) можно обьяснить следствием уменьшения однородности поля.
Форма электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность газов (воздуха). Обьясняется это тем, что форма электродов, расстояние между ними, находящиеся вблизи заземленные конструкции и т.д., влияют на однородность электрического поля и, следовательно, на Е_пр.
Шаровые электроды можно включить в схему симметрично и несимметрично. При симметричном включении (оба шара изолированы от земли) однородность поля будет более высокая, и Е_пр соответственно будет выше, чем при несимметричном включении. При несимметричном включении шаров наибольшее значение U_пр имеет место в случае их вертикального расположения и заземления нижнего шарового электрода.
Закон Пашена. Закон Пашена показывает зависимость U_пр газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.6). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения U_пр.мин в зависимости от произведения Ph. Для газов, состоящих из двух- и многоатомных молекул, U_пр.мин лежит в пределах от 280 В (H₂) до 420 В (СО₂). На частоте 50 Гц у неионизированного воздуха в однородном электрическом поле U_пр.мин ≈ 326 В. У инертных газов (газов, состоящих из одноатомных молекул) U_пр.мин ниже, чем у газов из многоатомных молекул (например, у чистого аргона U_пр.мин ≈ 195 В, а у аргона с примесью паров например, у чистого аргона U_пр.мин ≈ 195 В, а у аргона с примесью натрия ≈ 95 В, у неона с парами натрия ≈ 85 В). Поэтому для снижения U_пр.мин инертных газов, используемых в газоразрядных приборах, электроды изготавливают (или хотя бы их покрывают) из металлов с присадками щелочных или щелочноземельных металлов, обладающих малой работой выхода электронов.

Зависимость электрической прочности воздуха от частоты приложенного напряжения. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение воздуха зависит от частоты напряжения только в области ультразвуковых частот, радиочастот и СВЧ (рис. 5.7). Пробой воздушного промежутка в 1 см в однородном электрическом поле при нормальных условиях происходит за 10^-7с и менее. При пробое на переменном токе частотой до нескольких тысяч герц амплитундая величина пробивного напряжения практически равна пробивному напряжению на постоянном токе. При последующем увеличении частоты пробивное напряжение снижается на 20-25% и при f ≈ 5⋅10⁶ Гц становится минимальным, после чего возрастает и достигает значения, превосходящего пробивное напряжение на постоянном токе более чем в 1.5 раза. Такой характер зависимости U_пр воздуха от f на высоких частотах обьясняется некоторой спецификой, связанной с образованием при f_кр1 обьемного положительного заряда, а на более высоких частотах, при f_кр2, - обьемного отрицательного заряда. Образование и рост этих обьемных зарядов и приводит к снижению U_пр. При еще более высоких частотах, при f_кр3, время полупериода напряжения становится недостаточным для развития ионизационных процессов, в результате пробой наступает при более высоком напряжении.
Рассмотрим кратко механизм пробоя в зависимости от частоты напряжения. При низких частотах за время одного полупериода не только электроны, но и положительные ионы, образовавшиеся в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, успевают уйти из разрядного промежутка на электроды и разрядится. Однако, начиная с некоторой частоты f_кр1 (первая критическая частота), часть положительных ионов не успевает за время одного полупериода пройти весь путь до катода и там разрядиться. Эти ионы, накапливаясь в межэлектродном пространстве в каждый последующий полупериод, образуют объемный положительный заряд, который совместно создает на электродах дополнительный градиент потенциала и тем самым снижает U_пр. С дальнейшим увеличением частоты (при f > f_кр1) U_пр уменьшается до тех пор, пока не прекратится рост объемного положительного заряда. Значение f_кр1 зависит от давления газа и расстояния h между электродами. При нормальных условиях и h = 2 см f_кр1 = 10 кГц.
При более высоких частотах (f > ≈430 кГц) при второй критической частоте f_кр2, кроме объемного положительного заряда, начнет образовываться электронный объемный заряд. Этот заряд образуется потом, что продолжительность полупериода становится меньше времени, необходимого для пробега электронами разрядного промежутка. Поэтому часть электронов не успевают дойти до анода и, накапливаясь в межэлектродном пространстве, продолжает участвовать в процессе формирования электронных лавин, что и приводит к новому снижению U_пр. Снижение U_пр с увеличением частоты (при f > f_кр2) происходит до тех пор, пока не прекратится рост объемного отрицательного заряда. Значение f_кр2 зависит от межэлектродного расстояния h и неоднородности электрического поля и с их увеличением снижается.
Повышение пробивного напряжения при третьей критической частоте f_кр3, примерно равной 5⋅10⁶ Гц, объясняется следующим. При f >> f_кр3 время полупериода становится меньше времени, необходимого для формирования электронных лавин, что приводит к уменьшению λ (см. формулу (5.2)). Поэтому необходимо повысить напряженность поля, чтобы электроны между двумя столкновениями могли приобрести добавочную энергию W, достаточную для ударной ионизации (W ≥ W_и).
Зависимость электрической прочности от природы газообразного диэлектрика. Различные по своему химическому составу газы при одних и тех же условиях имеют различную электрическую прочность (табл. 5.1).

Из табл. 5.1 видно, что с увеличением молекулярной массы и особенно при введении в состав молекул газообразных диэлектриков атомов таких электроотрицательных элементов, как фтор и хлор, и увеличении числа этих атомов Е_пр возрастает. Электрическая прочность возрастает, так как введенные в молекулы газа атомы F и Cl приводят к увеличению энергии, необходимой для ионизации этих молекул.
Электрическая прочность фторсодержащих газов и паров при нормальном давлении того же порядка, что и Е_пр многих жидких диэлектриков. Однако в сравнении с жидкими диэлектриками эти газы имеют ряд преимуществ: значительно меньшую плотность (что существенно снижает массу соответствующих электрических аппаратов), более высокую нагревостойкость и стойкость к старению. Небольшие примеси фторсодержащих газов к воздуху повышают его Е_пр. Из низкомолекулярных галогенсодержащих газов фреон обладает тем недостатком, что под действием электрических разрядов его молекулы распадаются на компоненты, которые в присутствии влаги вызывают коррозию металлов. В этом отношении элегаз химически более стабилен – электрические разряды на него не действуют.
Элегаз, тщательно очищенный, не имеет запаха и вкуса, химически инертен, его нагревостойкость 800 ^оС. Он не разлагается под действием воды, кислот, щелочей, кислорода, галогенов, водорода и др. Е_пр элегаза при атмосферном давлении в 2.9 раза выше, чем у воздуха, а при давлении 0.3 – 0.4 МПа выше, чем у нефтяного масла.

Элегазовые коммутационные аппараты имеют диапазон номинальных напряжений от 6 до 1150 кВ. Их отключающая способность на два порядка выше, чем у воздушных выключателей; они создают меньшие перенапряжения, чем вакуумные аппараты, и тем самым облегчают работу изоляции электрооборудования. На сегодняшний день для коммутационных аппаратов на напряжение 110 кВ и выше нет и не предвидится разумной альтернативы элегазу как электроизоляционной и дугогасительной среде. Ведутся разработки элегазовых трансформаторов напряжения на 110 кВ.

Очень низкую электрическую прочность имеют инертные газы (неон, аргон и др.), а также пары натрия и ртути. Поэтому их широко применяют в газоразрядных приборах, лампах дневного освещения и т.п.

5.2.2. Пробой газов в неоднородном электрическом поле

В неоднородном электрическом поле общий вид зависимости электрической прочности газов от давления Р, расстояния между электродами h, произведения Ph (закон Пашена), частоты напряжения f и химического состава сохраняется таким же, что и в неоднородном электрическом поле. Отличие заключается в том, что в неоднородном электрическом поле пробой газов наступает при более низком значении напряженности поля, и чем больше неоднородность поля, тем ниже электрическая прочность газов.
Выше отмечалось, в каких случаях образуется неоднородное электрическое поле. Добавим, что оно также возникает между шаровыми электродами при h/r > 1, между проводами, линейным проводом и землей, на заостренных краях, заусенцах и т.п. На практике мы чаще встречаемся с неоднородным электрическим полем.
Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коронный разряд (корона), являющийся неполным пробоем. Корона возникает при U_к, которое ниже, чем U_пр (U_к < U_пр), обычно вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических краях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого свечения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или потрескиванием). С повышением напряжения коронный разряд усиливается и далее переходит в искровой, а затем при достаточной мощности источника напряжения – в дуговой разряд.
В случае электродов типа стержень – плоскость, создающих резко неоднородное поле, U_пр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня (рис. 5.8). Объясняется это следующим. Как отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует на конце стержня коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея большую (в тысячи раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд, который по-разному влияет на величину U_пр воздушного промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положительный потенциал, то он усилится объемным положительным зарядом, что приведет к увеличению напряженности поля в межэлектродном пространстве, и пробой произойдет при более низком значении U_пр. Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный заряд уменьшит напряженность поля, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении U_пр. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты напряжения) различие между значениями U_пр в зависимости от полярности стержня уменьшается. Величина U_пр при пробое газа при высоких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) значительно ниже, чем U_пр при постоянном напряжении или напряжении промышленной частоты.
В неоднородным полях с увеличением влажности воздуха пробивное напряжение U_пр возрастает. Это можно объяснить повышенной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение возрастает. Приближенно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза U_пр при частоте 50 Гц возрастает на 10%. Напряжение поверхностного разряда U_р с увеличением влажности воздуха, наоборот, снижается. Например, при повышении относительной влажности с 60 до 80-90% у глазурированного керамического изолятора боченочного типа U_p (частота 50 Гц) снижается почти в два раза.