Випробування електричної міцності повітря
Міністерство агропромислового комплексу України
Харківський національний технічний університет сільського господарства
імені Петра Василенка
Факультет енергетики та комп’ютерних технологій
Кафедра Електропостачання сільського господарства
Лабораторія Електротехнічних матеріалів
Методичні вказівки
для виконання лабораторної роботи
Випробування електричної міцності повітря
Підготували:
доцент, ктн Бондарук П.А.
асистент Дудніков С.М.
асистент Панченко С.О.
Харків 2007
Лабораторна робота №1
Випробування електричної міцності повітря
Мета роботи
Метою даної роботи є вивчення механізма електричного пробою повітря і дослідження його електричної міцності.
2. Програма роботи
1. Ознайомитись з випробувальною установкою та технікою безпеки при виконанні роботи
2. Записати в звіт паспортні дані приладу та апаратів
3. Визначити електричну міцність повітря в однорідному та неоднорідному електричному полях при зміні відстані між електродами
4. Побудувати графічну залежність електричної міцності повітря в однорідному і неоднорідному полях та від відстані між електродами.
Пояснення до роботи
1.Пробій повітря
В багатьох електротехнічних пристроях (трансформатори, повітряні лінії електропередач, конденсатори, розподільчі пристрої підстанцій) зовнішньою ізоляцією являється повітря.
Повітря, находячись в сильному електричному полі від зарядів струмоведучих частин електроустановок, може втратити властивість електроізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля перевищує деяке допустиме значення. Це явище носить назву пробою повітря чи втратою його діелектричної міцності.
Напруга, при якій проходить пробій повітря (діелектрика), називається пробивною напругою Uпр, а відповідна їй напруженість електричного поля електричною міцністю Епр повітря (діелектрика).
Електрична міцність визначається значенням відношенням пробивної напруги до товщини повітря (шару діелектрика) в місці пробою
(1)
Пробій повітря обумовлюється явищами ударної і фотонної іонізації.
1.1 Механізм пробою повітря
Невелика кількість в повітрі іонів і вільних електронів, які знаходяться в звичайних умовах в тепловому хаотичному русі, при дії сильного електричного поля отримують деяку додаткову енергію і починають упорядковано рухатись: електрони проти поля (до позитивного електрода – анода), а позитивні іони по напрямку поля (до негативного електрода – катода).
В цьому русі кожна частинка отримує додаткову енергію згідно виразу
W=qUℓ (2)
де q – заряд частинки; Uℓ= 
- падіння напруги чи різниця потенціалів на довжині ℓ вільного (без зіткнення) пробігу частинки.
Падіння напруги на довжині вільного пробігу в однорідному полі з урахуванням виразу (1) визначається із рівності
U=Eℓ (3)
де E – напруженість електричного поля;
ℓ– довжина вільного пробігу частинки.
Після заміни падіння напруги Uℓ в (2) правою частиною рівності (3) отримуємо значення додаткової енергії, яку отримують заряджені частинки повітря, від електричного поля струмонесучих частин електроустановки
W=Eqℓ (4)
Із виразу (4) видно, що значення додаткової енергії заряджених частинок залежить від напруженості електричного поля Е, заряду частинок q та середньої відстані ℓ, що проходить кожна частинка без зіткнення.
Рухомі заряджені частинки при зіткненні з атомами і молекулами повітря віддають їм накопичену додаткову енергію. Якщо ця енергія достатньо велика, то виникає ударна іонізація атомів молекул, тобто розщеплення їх на електрони і позитивні іони.
Проте, ударна іонізація виникає тільки при умові, коли
W >Wi (5)
де Wi – енергія іонізації атомів і молекул газа.
З урахуванням виразів ( 4) і (5) одержуємо
Eqℓ > Wi (6)
Енергія іонізація Wi характеризується іонізаційним потенціалом, який згідно виразу (2) визначається з відношення
Ui = W/q (7)
Іонізаційний потенціал різних газів лежить в границях 4…25 В, що відповідає для електрона з його зарядом q=e енергії іонізації від 4 до 25 еВ ( електрон-вольт).
Швидкість, яку може набрати електрон в електричному полі при проходженні без зіткнення шлях з різницею потенціалів U=4…25В, визначається із виразу
V~600 
=600 
=1200…3000км/с (8)
Електрони, рухаючись з такою швидкістю від катода до анода, здійснюють ударну іонізацію, внаслідок якої виникає первинна лавина електронів, котра лавинно збільшується і переміщується до анода зі швидкістю (1,2…3)103км/с. На шляху переміщення цієї лавини залишається канал, який складається головним чином із менш рухливих позитивних іонів та електронів вторинних іонізацій.
Ймовірність іонізації атомів і молекул повітря рухами позитивними іонами із-за їх малої рухливості і перебільшенням маси іона в тисячі раз маси електрона дуже низька.
В зв,язку з цим приймаємо: ударна іонізація повітря виникає завдяки енергії вільних електронів, швидкість яких в електричному полі повинна бути більше 1000 км/с.
Якщо енергія деяких електронів не достатня для іонізації, то атоми і молекули при співударах з електронами збуджуються, а їх електрони переходять на більш віддалену від ядер орбіту.
В наступну мить електрони повертаються в не збуджений стан, а отримана ними надлишкова енергія випромінюється у вигляді кванта світла-фотона. Фотони утворюються і внаслідок рекомбінації електронів і позитивних іонів. Так як фотони розповсюджуються зі швидкістю світла( 3 . 105км/с), то їх енергія в деяких випадках достатня, щоб здійснити фотоіонізацію інших атомів і молекул, які розташовані далеко попереду фронта первинної лавини електронів, що рухаються зі швидкістю (1,2..3)103км/с..Внаслідок фотоіонізації утворюються вторинні електрони, які в свою чергу починають процес ударної іонізації і породжують нові електронні лавини, що розташовуються далеко попереду фронта первинної лавини.
На наступній стадії окремі лавини наздоганяють одна іншу, зливаються і утворюють суцільний канал з підвищеною провідністю. Більш рухливі електрони порівняно з іонами з більшою швидкістю переміщаються до позитивного електрода( анода), і розряджаються на ньому, тому канал в основному складається із позитивних іонів, який називається позитивним стрімером. Стрімер має форму вістря- головки стрімера-напруженість електричного поля підвищується, а виникаючи в ході іонізації електрони притягуються в головку стрімера. Таким чином область поблизу головки стрімера перетворюється в електропровідну плазму ( кількість електронів ne приблизно дорівнює кількості іонів ni ( ne~ni)).
Нарешті стрімер досягає катода і електропровідний канал замикає розряджений проміжок. Внаслідок ударів позитивних іонів на поверхні катода утворюється червона катодна пляма, а випаровуючиі із неї електрони, розповсюджуючись по стрімеру в сторону анода, і перемішуючись в каналі позитивного стрімера з іонами, утворюють високо провідну плазму
(ne~ni по всьому каналу). Цей процес спостерігається в розрядному проміжку як іскра
( іскровий розряд).
Пробивною напругою повітря являється напруга, при якій проходить іскровий розряд.
Якщо потужність джерела напруги достатня для підтримання випаровування метала катода і утворення потужного дугового розряду, то між електродами загорається електрична дуга –виникає дуговий розряд. Для запобігання негативного явища при пробою повітря (діелектрика) в електроустановках монтується апаратура їх захисту від струмів короткого замикання (високовольтні масляні, вакуумні та повітряні автоматичні вимикачі).
1.2.Пробій повітря в проміжках при однорідних і неоднорідних полях
Звичайно пробій газа відбувається практично миттєво: час підготовки пробою газа при довжині проміжку в 1 см складає 10-7 _ 10-8с. Чим більша напруга прикладається до газового проміжку, тим швидше може відбутися пробій. Якщо час дії напруги дуже малий, тоді пробивну напругу необхідно підвищувати.
Явище пробою газа залежить від ступеню однорідності електричного поля, в якому відбувається пробій. Однорідне поле може бути створене між плоскими електродами із закругленими краями, а також між кульками при відстані між ними, яка може дорівнювати діаметру кульки. В такому полі пробій виникає практично миттєво при досягненні чітко визначеної напруги пробою, яка залежить від температури і тиску газу (повітря).
При малих відстанях між електродами спостерігається значне збільшення електричної міцності повітря (рис.1). Це явище пояснюється трудністю формування розряда при малих відстанях між електродами завдяки зменшенню довжини вільного пробігу електронів і меншої кількості вільних електронів. При нормальних умовах, коли тиск дорівнює 0,1мПа і температурі близько 200 С електрична міцність повітря при відстані між електродами в 1 см складає 3 кВ/мм, а при ℓ=5 мкм вона досягає 70 кВ/мм.
Рис.1
Електрична міцність газу в значній ступіні залежить від його густини (тобто від тиску, коли температура постійна).При великому тиску і відповідно підвищеній густині газу відстань між окремими молекулами становиться меншою, зменшується довжина вільного пробігу електронів, і як наслідок із формули (6),для того щоб відбулась іонізація і пробій, повинна бути збільшена напруженість поля. При зменшенні тиску спочатку спостерігається падіння електричної міцності, як це можно бачити з рис.2, коли тиск доходить до деякої межі, нижчої атмосферного тиску. Якщо розрядження досягає високого ступеня, електрична міцність починає знову зростати. Це зростання пояснюється за рахунок зменшення кількості молекул і атомів повітря(газу) в одиниці об,єму. При сильному розрядженні газу знижується можливість зіткнення електрона з молекулами і, таким чином, погіршуються умови для виникнення явища ударної іонізації.
Закономірність, якій підкорюється пробій газів в неоднорідному полі, відрізняється від закономірності, яка спостерігається при пробою в однорідному полі. Неоднорідне поле виникає між двома
Рис.2
вістрями, вістрем і площиною, між проводами ліній електропередач, між поверхнями кульок при відстані між ними, яка перевищує діаметр кульки. В цих випадках біля загострених місць підвищується напруженість електричного поля. Виникають часткові розряди, які переходять в іскровий розряд.
Пробій між електродами голка-площина (рис.3) при позитивній полярності голки відбувається при меншій напрузі, чим при зворотній полярності. Це пояснюється наступним чином. Іонізація газу при любій полярності на електродах відбувається біля голки, тобто там, де існує найбільше значення напруженості електричного поля і відповідно біля неї утворюється « хмаринка» з позитивно заряджених іонів. При позитивній полярності на голці цей об,ємний заряд являється якби продовженням голки і скороченням відстані в розрідженому проміжку. Тому пробій і відбувається при меншій напрузі.
Рис.3