Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор

     В отличие от слабых полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами. Зависимость тока в газе при возрастании напряжения имеет три характерных участка (рис.3.1.).

Первый - линейная зависимость, второй - насыщение, третий участок - экспоненциальный рост. В этой области резко начинают расти и диэлектрические потери. Причина заключается в появлении носителей в промежутке за счет нового механизма - ударной ионизации.

При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

Ионизация электронами происходит по схеме e+A = A⁺ +e+e, в том случае, если кинетическая энергия налетающего электрона mV²/2 > W. Такой тип ионизации называется прямой ионизацией. Здесь А - молекула или атом газа. Однако возможна ионизация и при меньшей энергии налетающего электрона, если она превышает энергию возбуждения W_возб. Такой тип ионизации называется ассоциативной ионизацией. Она происходит в два этапа, с участием возбужденных молекул A^*. Критерием начала ассоциативной ионизации является W>mV²/2> W_возб. Возможны следующие схемы

e + A = A*+ e, A* + e=A⁺ + e + e

Кроме ионизации молекул электронами возможна фотоионизация, термоионизация и автоионизация. Фотоионизация - выбивание электронов фотонами при энергии фотона не меньше чем энергия ионизации. Термоионизация - появление свободных электронов и ионов за счет тепловой энергии. Как можно оценить по выражениям (1.24), (1.26), она имеет заметные скорости при температуре несколько тысяч градусов. Автоионизация - вырывание электрона из молекулы за счет действия сильного электрического поля. Она начинает играть заметную роль в появлении электронов в полях более 10 МВ/см. В реальной электрической изоляции всегда следует учитывать контакт диэлектрика с электродами. При этом возможно зарождение новых носителей заряда из электрода фактически с помощью тех же процессов, т.е. фотоэффекта, автоионизации, выбивания электрона положительным ионом.

Как развиваются ионизационные процессы в материале? Первичный электрон, двигаясь в поле до столкновения с молекулой, проходит определенное расстояние, называемое длиной свободного пробега.

Длина свободного пробега, - среднее расстояние, проходимое электроном или ионом до неупругого столкновения с молекулой.

l_ион= 1/(4pnr²)                (3.1.)

l_элект= 1/(pnr²)=kT/p·p·r²

где n- концентрация молекул, r- их радиус, kT - тепловая энергия, p - давление. Поскольку в столкновении энергия теряется, то электрон не может бесконечно ускоряться и для каждого поля устанавливается определенная скорость V=b·E, где b - подвижность носителя заряда (см.1.21). Поскольку длина пробега у электрона больше, чем у иона, то электрон имеет большую подвижность и набирает больше энергии.

Табл.3.1. Подвижность некоторых ионов в газах.

Тип носителей	Подвижность носителей, 10-4 м2/(В сек)
	Воздух	Водород	Пары воды
m -	1.4	6.7	0.47
m +	1.9	7.9	0,42

Для сравнения оценка подвижности электронов в воздухе 0.1 м²/(В сек).

Если энергия на длине пробега достаточна, после первого столкновения в объеме появляются дополнительно 1 электрон и ион, после второго - еще 2 электрона и 2 иона и т.д. Возникает т.н. лавина.

Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами
n=n₀·e^ad. Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a =18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины на катоде снова появился электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g - т.н. вторичный ионизационный коэффициент, характеризующий вероятность появления на катоде нового электрона после прохождения одной лавины. Для плотности электронного тока можно получить выражение j=j₀· e/(1-g (e^ad-1)).

Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

1-g (e^ad-1)=0                    (3.2.)

Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н. закон Пашена U=f(p·d), или в другом виде E/p=F(p·d). Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Отметим, что напряжение пробоя зависит от произведения р? d, т.е. уменьшая зазор, но увеличивая давление, получим одинаковую электрическую прочность газового промежутка. Характерная кривая для пробоя газов приведена на рис.3.2. Она имеет минимум, значение и положение которого зависят от типа газа. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи p·d~1 Па·м. При давлении 0.1 МПа (1 атм) минимум соответствует размеру межэлектродного промежутка 10 мкм.

После пробоя газового промежутка он заполняется газоразрядной плазмой. В дальнейшем, в зависимости от мощности источника напряжения, в промежутке развиваются различные виды разрядов. Если источник маломощен и давление невелико, то развивается тлеющий разряд. Этот разряд происходит во всем объеме, он имеет несколько характерных зон, основные из которых - темное пространство у катода и светящийся анодный столб. В темном пространстве электроны не имеют достаточно энергии для возбуждения молекул и поэтому нет свечения. В положительном столбе свечение вызвано излучением возбужденных молекул. Анодное свечение используется в люминесцентных лампах.

В случае мощного источника напряжения, в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд. Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. Дело в том, что по мере удлинения лавины и увеличения количества носителей в ней, заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму. Критерием перехода является выполнение условия a·d=20.

Стример   - распространение с высокой скоростью в промежутке проводящего и светящегося плазменного локального образования.

По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что там, где прошел стример, газ прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее состояние. Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка, что способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя.

Кроме того, для линий электропередач и других систем с резконеоднородным полем возникает особое явление разряда - корона. Это ионизационные процессы в локальной области вблизи электрода. Электрическое поле столь быстро уменьшается при удалении от провода, что продвижение канала разряда прекращается на некотором удалении от электрода и межэлектродный промежуток не перемыкается. Коронные разряды приводят к потерям энергии, вносят шумы в радиочастотном диапазоне, выделяют озон и вредные оксиды азота.

Из эмпирических зависимостей электрической прочности газов от внешних факторов отметим следующие:

Температурная зависимость.

Рис.3.3. Зависимость электрической прочности воздуха при нормальных условиях от температуры

Рис.3.4. Электрическая прочность воздушного промежутка 1 мм при высоких давлениях

Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV=RT или n=P/kT. Для атмосферных условий влияние изменения и давления и температуры можно учесть так: E=E₀·d , где E₀=30 кВ/см - электрическая прочность воздуха при нормальных условиях, P=760 мм.рт.ст., t=20° C, d - относительная плотность d =0.386Р/(t + 273) (рис.3.3.).

Зависимость от давления.
В условиях лавинного пробоя при p· d<100 зависимость E(p) полностью эквивалентна кривой Пашена при d=const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид нарастающей кривой с насыщением при высоких P.

Зависимость от межэлектродного зазора.
Для лавинного пробоя - аналогична кривой Пашена при р=const. При повышенных давлениях и малых зазорах в воздухе E( в кВ/см) =30+A/d, где А - постоянная. Экспериментальные данные по пробою микронных зазоров показывают, что пробивная напряженность доходит до 200 кВ/см.

Зависимость от площади электродов.
Эта зависимость - чисто эмпирическая, имеет вид Е=Е₀S^-1/n , где n~10. Обычно эту зависимость объясняют наличием т.н. “слабых мест” на поверхности в виде неоднородностей, пленок и т.п., возрастание числа которых с ростом площади приводит к уменьшению электрической прочности.

Зависимость от влажности.
Эта зависимость проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого диэлектрика (изолятора) и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

Закономерности импульсного пробоя:
При импульсном пробое газов увеличивается электрическая прочность относительно статического уровня. Это связано с конечным временем формирования разряда, которое, в свою очередь, обусловлено вероятностными характеристиками появления первичных электронов в промежутке, появления вторичных лавин и стримеров и т.д. Значения возникающего перенапряжения, т.е. увеличения пробивного напряжения относительно статического уровня может достигать двух- трехкратного и более уровня.

Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор