Пробой газа в неоднородном поле

Неоднородное поле образует­ся между электродами, если хотя бы один из которых имеет малую площадь. В основном неоднородные электрические поля существу­ют в газоразрядных приборах, между контактами реле, между про­водами линий электропередачи.

Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном электрическом поле по величине пробивно­го напряжения U_пр и по характеру развития самого процесса про­боя. Пробой газа в неоднородном поле, как правило, происходит при меньшем пробивном напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является воз­никновение частичного разряда в виде «короны», который сопро­вождается свечением и разрушением молекул. При дальнейшем повышении напряжения корона перерастает в кистевой разряд, ко­торый затем превращается в искровой. При большой мощности раз­ряда образуется дуговой разряд, который сопровождается образо­ванием озона* и оксидов азота и характерным шипением, потрес­киванием и своеобразным свечением.

Часто возникает пробой на границе раздела с твердым диэлектриком. Такой пробой в технике называют поверхностным. На поверх­ностное пробивное напряжение в области низких частот сильное влияние оказывает влажность воздуха, степень запыления изолято­ра и химический состав пыли.

Поверхностное пробивное напряжение можно повысить, увели­чивая путь поверхностного разряда. С этой целью поверхность изо­лятора часто делают ребристой.

Особенностью пробоя газов является немедленное восстановле­ние электрической прочности искрового промежутка после снятия приложенного к электродам напряжения.

Газообразные диэлектрики при использовании в качестве электроизоляционных материалов имеют высокое удельное сопротивле­ние р, малую (близкую к единице) диэлектрическую проницаемость Е, малый тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.

Основным недостатком газообразной электрической изоляции является ее низкая электрическая прочность, однако в ряде случаев этот недостаток не имеет значения.

В качестве газообразных диэлектриков применяют воздух, инер­тные и электроотрицательные газы.

Воздух представляет собой смесь, которая состоит из азота N₂ (78,03%), кислорода О₂ (20,93%), углекислого газа СО₂ (0,03%), инертных газов (0,1%).

Относительная плотность воздуха 1.

В ряде случаев воздух является основным изолирующим материа­лом, например в воздушных конденсаторах, на участках воздушных линий электропередачи воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами. Однако чаще всего он является вспомога­тельным диэлектриком, окружающим детали и узлы. По причине своей распространенности он входит в состав многих устройств.

Азот N₂ - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он бесцветен также в жидком и твердом состоянии. Обладает одинаковой с воз­духом электрической проницаемостью, но менее активен, чем воз­дух, который содержит кислород.

В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных конденсаторов постоянной емкости, для наполнения баллонов осветительных ламп).

Кислород газообразный О₂ - бесцветный газ без за­паха и вкуса.

Получают кислород из атмосферного воздуха методом глубо­кого охлаждения или электролизом воды.

Водород Н₂ - бесцветный горючий газ, не имеющий запаха; самый легкий газ (1 л водорода при нормальных условиях имеет массу 0,09 г).

Электрическая прочность Е_пр водорода примерно на 40% ниже воздуха.

Если к струе водорода поднести зажженную спичку, то водород загорается и горит несветящимся пламенем. При поджигании сме­си, состоящей из двух объемов водорода и одного объема кислоро­да, происходит почти мгновенное соединение газов, которое сопро­вождается взрывом. Такая смесь называется гремучим газом.

Водород обладает свойствами, особо благоприятными для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха, так как имеет высокую удельную теплопроводность и теплоемкость. Крупные электрические машины также заполняются водородом для снижения потерь мощности на трение ротора в газе и замедления старения органических компонентов изоляции.

Гелий не горит, не поддерживает горение. При комнатной тем­пературе обыкновенное стекло, железо, палладий и платина непро­ницаемы для гелия, однако он проникает через кварцевое стекло, а при высокой температуре - через фосфор.

Обладает уникальными свойствами: имеет самую низкую элект­рическую прочность E_пр (примерно в 17 раз меньшую, чем у возду­ха), самую низкую по сравнению со всеми газами температуру сжижения.

Благодаря чрезвычайно низкой теплоте испарения сжиженный гелий применяют в качестве низкотемпературного хладагента. При испарении жидкого гелия была получена самая низкая температу­ра, всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля.

Аргон Аr₂ - бесцветный инертный газ, почти в 2 раза тяжелее воздуха (1 л аргона при нормальных условиях имеет массу 1,781 г).

Обладает совокупностью благоприятных свойств: относитель­но низким потенциалом ионизации, химической инертностью, не­высокой теплопроводностью, более простой по сравнению с дру­гими инертными газами технологией получения и очистки.

Применяется в газоразрядных приборах и осветительных лампах.

Некоторые газы, главным образом с высокой молекулярной мас­сой и плотностью, электроотрицательны. Эти газы, содержащие галогены (фтор, хлор и др.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют по сравнению с воздухом более высокую элек­трическую прочность. К ним относятся элегаз, перфторированные углеводороды, т. е. углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены атомами фтора.

Шести фтористая сера (гексафторид серы SF₆) обладает электрической прочностью примерно в 25 раза большей, чем воз­дух. Впервые исследовавший этот газообразный диэлектрик ученый Б. М. Гохберг назвал его элегазом (сокращение от слов «электриче­ство» и «газ»).

Эле газ не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагре­вании (до температуры 800 °С), может быть сжат (при нормальной температуре) без сжижения до давления 2 МПа.

К одному из недостатков эле газа относится его относительно высокая стоимость. Для удешевления изделий или технологических операций с применением эле газа его часто используют в смеси с более дешевым азотом.

Применяется в газонаполненных высоковольтных конденсаторах.