Влияние полярности электродов на пробивное напряжение газа

Ответ:В неоднородном поле на U_пр влияет также полярность электродов. Так, для электродов с малым радиусом кривизны U_пр при положительной полярности оказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Рис. 5.12. Зависимость пробивного напряжения U_{пр.макс} воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

При достаточно высоких частотах свободные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Ионы с большой массой за время полупериода колебаний не успевают сместиться на значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет, приводя к появлению так называемого «объемного заряда». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электрическая прочность газов уменьшается (рисунок 5.13). Дальнейший рост частоты электрического поля приводит к тому, что за время полупериода не только положительные ионы не успевают сместиться на значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полупериода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих один мегагерц, электрическая прочность газов возрастает.

Рис. 5.13. Зависимость электрической прочности газа от частоты электрического поля

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует коpонный разряд или корона, являющийся неполным пробоем. Корона возникает при напряжении U_к, которое ниже, чем U_np(U_k<U_np), вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических кpаях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого свечения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или потрескиванием). С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой и затем при достаточной мощности источника напряжения — вдуговой разряд. В случае электродов типа стержень-плоскость, создающих резко неоднородное поле, U_пр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим — при отрицательной полярности стержня (рисунок 5.14). Объясняется это следующим. Как отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея большую (в ~ 1000 раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд. Образовавшийся около острия электрода объемный положительный заряд по-разному влияет на величину напряжения воздушного промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положительный потенциал, то объемный положительный заряд приведет к увеличению напряженности поля во внешней области короны, и пробой произойдет при более низком значении U_пр. Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный заряд уменьшит напряженность поля во внешней области короны, 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_прпри 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.

Рис. 5.14. Зависимость пробивного напряжения U_пр воздуха от расстояния h между электродами (поле неоднородное). В неоднородных 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_np при частоте 50 Гц возрастает на 10%. Поверхностный разряд.Если электрическое поле в межэлектродном пространстве однородное, то пробой может произойти в любом месте и при самом высоком напряжении. Если же в однородное поле внести твердый диэлектрик, как это показано на рисунке 5.15.а, то электрический разряд произойдет в воздухе по поверхности твердого диэлектрика и, при прочих равных условиях, при более низком напряжении. В данном случае разрядное напряжение U_p будет зависеть от ряда факторов и, в первую очередь, от физико-химических свойств твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и расположения ее относительно силовых линий поля, влажности воздуха, формы и частоты приложенного поля, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и расстояния между ними.

а б

Рис. 5.15 Распределение линий вектора Е в электроизоляционной конструкции, состоящей из твердого диэлектрика (1) и воздуха (2): а — силовые линии поля направлены параллельно, б — перпендикулярно относительно границы раздела диэлектриков. Кривые зависимости U_p от расстояния L между электродами в однородном и неоднородном электрическом полях в зависимости от природы твердого диэлектрика (величины диэлектрической проницаемости ε и удельной поверхностной электропроводности _s) представлены на рисунке 5.16. Из рисунка видно, что с увеличением расстояния между электродами U_pвозрастает неодинаково у твердых диэлектриков различной химической природы. Самое высокое U_p наблюдается при разряде вдоль поверхности неполярных твердых диэлектриков молекулярного строения. У полярных диэлектриков U_p ниже, чем у неполярных, и тем ниже, чем больше ε и _s твердого диэлектрика и меньше его краевой угол смачивания. У диэлектриков ионного строения (см. рисунок 5.16. а), кривые 3 и 4), которые содержат ионы щелочных металлов и поэтому имеют более высокую поверхностную электропроводность, U_p еще ниже, чем у полярных диэлектриков молекулярного строения. Особенно значительно U_p снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика (кривая 5). В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается. Установлено, что на поверхности твердого диэлектрика образуется сплошная или прерывистая пленка сконденсировавшейся из воздуха влаги толщиной от мономолекулярного слоя и более, которая нарушает однородность поля, и поэтому U_p снижается. В данном случае электрический разряд фактически происходит в неоднородном поле. При этом чем больше электропроводность водяной пленки, тем ниже U_p.

а б в

Рис. 5.16. Зависимость разрядного напряжения U_p в воздухе по поверхности диэлектриков от расстояния L между электродами в однородном поле (а) и неоднородном поле (б) и от величины диэлектрической проницаемости ε(I) и удельной поверхностной электропроводности γ_s (II) твердого диэлектрика (в): а, б — диаметр образцов 50 мм; 1 — парафин, 2 — бакелит, 3 — фарфор, 4 — стекло, 5 — фарфор и стекло при плохом контакте электродов, 6 — воздушный промежуток; в — электроды плоскопараллельные с закругленными краями, диаметр образцов 45 мм, высота 30 мм, Т=20°С; У — ПТФЭ, 2— ПЭ, 3— ПС, 4— ПММА, 5— винипласт, б — древесина, 7— гетинакс, 8— воздушный промежуток. Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения U_p. На снижение U_p оказывают влияние и другие факторы. Известно, что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрицательные ионы. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой ионов одного знака, а над ним, в воздухе — слой ионов противоположного знака. Под действием приложенного напряжения эти ионы вместе с ионами воды смещаются к противоположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных зарядов. На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияет не только поверхностная электропроводность, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (ƒ> 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэтому электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, U_p снижается незначительно.