Развитие процесса ударной ионизации в газе приводит к пробою данного, объема газа (точка n на вольтамперной характеристике) В момент пробоя газа ток в нем резко возрастает, а напряжение стремится к нулю. Пробой газа происходит в виде искрового разряда, т. е. светящихся искр, соединяющих поверхности металлических электродов, помещенных в газовой среде (рис 85).
Явление пробоя газообразных диэлектриков в однородном электрическом1 поле выражается формулой по Закону Пашена:
Uпр=Aph
где Uпр — пробивное напряжение;
А — коэффициент;
р — давление газа;
h — расстояние между электродами в газе.
1. Согласно этой формуле величина пробивного напряжения Uпр любого газа пропорциональна произведению давления газа на расстояние между электродами (рис. 84) Таким образом, величина пробивного напряжения газа
Рис. 83. Искровой разряд в воздухе между металлическими шарами диаметром 0,8 м
газа растет с ростом давления газа и с увеличением расстояния между электродами (правая часть U-образной кривой на рис. 84). С уменьшением же давления и расстояния между электродами пробивное напряжение газа уменьшается, но, пройдя минимум 2, начинает снова возрастать в области разреженного газа или в области малых расстояний между электродами (левая часть U-образной кривой). Это понятно, так как в области разреженного газа (вакуума) резко уменьшается количество атомов и молекул, являющихся объектами ионизации, а значит процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях. Известно, что вакуум обладает высокими электроизоляционными свойствами, и это широко используется в электровакуумных приборах.
В области очень малых расстояний между электродами (h=0,1 мм и менее) пробой газа также происходит при повышенных значениях пробивного напряжения. Это объясняется сокращением длины пути, на котором заряженные частицы уже не могут накапливать энергию, необходимую для процесса ударной ионизации. Чтобы такой процесс происходил естественно,необходимы более высокие напряжения. Значит, слой газа меньшей толщины обладает боле высокой электрической прочностью, чем слой газа большей толщины. Таким образом, с увеличением толщины слоя газа его электрическая прочность Eпр уменьшается (рис. 87). Из приведенного графика видно, что при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и расстоянии электродами около 1 см электрическая прочно Е=З0 кВ/см. С увеличением расстояния между электродами Eпр воздуха медленно убывает. То же наблюдается и у других газов.
Рис. 84. Зависимость пробивного напряжения воздуха (амплитудные значения) от произведения давления воздуха между электродами.
В табл. 23 приведены значения электрической прочности (в однородном поле) и другие характеристики газообразных диэлектриков. При этом все тепловые характеристики воздуха условно приняты за единицу. Из данных, приведенных в таблице, следует, что наибольшей электрической прочностью обладают газы: элегаз (SF6)1 и фреон (ССI2Р2), а наибольшей теплопроводностью и теплоемкостью обладает водород (Н2). Поэтому водород широко используют в качестве охлаждающей среды (вместо воздуха) в электрических машинах большой мощности.
Рис.85. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами при давлении 760 мм рт. ст и 20° С (однородное поле).
С качественной стороны пробой газообразного диэлектрика протекает по-разному, в зависимости от степени однородности электрического поля в газе. Так, пробой в воздухе при наличии в нем однородного электрического поля происходит сразу в виде искры (рис 83). Этот искровой разряд может переходить в электрическую дугу при достаточной мощности источника тока.
Пробой же газа в неоднородном электрическом поле проходит через ряд промежуточных стадий. Вначале наступает электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом, так как у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При напряжении значительно меньше пробивного у поверхности электрода с малым радиусом.
Таблица 23.Основные характеристики газообразных диэлектриков.
Рис. 86. Распределение силовых линий
электрического поля между электродами:
острие-плоскость.
(острие, провод малого диаметра и др.) в газе (например, в воздухе) возникает коронирующий разряд электрическая корона (рис. 81 ). Она представляет собой светло-фиолетовое свечение в слое воздуха около электрода с меньшим радиусом. Электрическая корона сопровождается слышимым жужжанием и образованием в воздухе озона (О3) в окислов азота (NO). Эти газы являются активными окислителями металлов и многих электроизоляционных материалов органического происхождения (резины, пластмассы и др.).
С дальнейшим повышением напряжения коронирующий разряд переходит в кистевой. При этом в слое газа около с меньшим радиусом образуется ряд светящихся веточек-кистей, указывающих на дальнейшее электрическое разрушение газообразного диэлектрика.
По достижении величин пробивного напряжения(Uпр) одна из светящихся кистей развивается в искру. Последняя в момент пробоя перекрывает весь слой газа от одного электрода до другого (искровой разряд).
На практике приходится встречаться главным образом с неоднородными электрическими полями. Такие неоднородные поля наблюдаются между двумя соседними проводами высокого напряжения, а также между проводом и заземленной мачтой — на линиях электропередачи.
Типичными электродами, между которыми создаются резко неоднородные электрические поля, являются: острие- плоскость; острие — острие и некоторые другие. Действительно, около острия густота силовых линий очень велика (рис. 86), следовательно здесь действуют напряженности большой величины, могущие вызвать ударную ионизацию газа. По мере удаления от острия к плоскости густота силовых линий уменьшается, следовательно, напряженности электрического поля тоже уменьшаются. При этом их ионизирующее действие на частицы газа снижается.
Закономерности в отношении пробоя газа между этими электродами наблюдаются во многих элементах высоковольтного оборудования (изоляторах, воздушных выключателях и др.). Так, большое влияние на пробой газа в неоднородном поле оказывает полярность электродов. Для слоя газа одной и той же толщины при положительном острие (игле) и отрицательно, но заряженной плоскости пробивное напряжение значительно меньше, чем при отрицательном острие (рис 87). Это объясняется накоплением положительно заряженных ионов около острия и прорастанием их в направлении отрицательно заряженной кости (рис. 88 ). Вследствие этого острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. При этом пробой газа происходит при сравнительно низких напряжениях.
При отрицательно заряженном острие наблюдается концентрация около него положительно заряженных ионов рис. 88. Последние (вследствие малой подвижности) не успевают нейтрализовать свой заряд у поверхности острия и образуют около него, положительно заряженное облачко.
Рис. 87 . Зависимость пробивного
напряжения воздуха между электродами:
острие — плоскость и острие — острие
при различных полярностях острия.
Рис. 88 .Формирование объемного заряда в воздухе при положительном острие.
Оно затрудняет возникновение искрового разряда, начинающегося с отрицательно заряженного острия. В результате этого пробой газа происходитпри повышенных величинах пробивного напряжения (рис.89). Пробивные напряжения воздуха между двумя остриями лежат выше, чем в случае острие — плоскость (при положительном острие). Это объясняется несколько меньшей неоднородностью электрического поля между двумя остриями. Следует заметить, что пробой газа в однородном электрическом поле всегда происходит при большей величине напряжения по сравнению с пробоем того же слоя газа в неоднородном электрическом поле. При пробое газов в неоднородных электрических полях заметное влияние на пробой оказывает их влажность. Так, при увеличении влажности воздуха его пробивное напряжение в неравномерном электрическом поле может повышаться на 8—10%. Запыление воздуха приводит к понижению его электрической прочности. При пробое газообразных диэлектриков в однородном электрическом поле пробивные напряжения на постоянном и переменном токе (до частот 100 Гц) практически не отличаются по
Рис. 89 .Формирование объемного заряда в воздухе при отрицательном острие
величине. При пробое газов в неоднородных поля (как указывалось ранее) на величину пробивного напряжения оказывает большое влияние полярность электродов.