3.8. Факторы, влияющие на электрическую прочность газообразных диэлектриков

Плотность газа , имеющая прямую зависимость от давления и обратную — от температуры газа, оказывает влияние на его электрическую прочность (рис. 3.16).

П ри низких давлениях и высокой разрежённости газа его электрическая прочность высока, так как мала вероятность столкновения носителя заряда с нейтральной молекулой и её ионизации.

П

Рис. 3.16. Влияние давления воздуха на его электрическую прочность

ри повышении давления прочность газа уменьшается до минимума, а затем вновь начинает возрастать, так как при увеличении плотности газа сокращаются время и длина свободного пробега носителей зарядов. От одного столкновения с нейтральной молекулой до другого они не успевают набрать скорость и приобрести кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации.

При нормальном атмосферном давлении воздуха (101,3 кПа) длина свободного пробега носителей зарядов составляет 10^4 мм . При этих условиях электрическая прочность воздуха равна 3 кВ/мм . Газами при большом разрежении или при высоком давлении заполняют корпуса высоковольтных аппаратов и оболочки кабелей для повышения электрической прочности их изоляции.

Р асстояние между электродами влияет на процесс ударной ионизации и, как следствие, на электрическую прочность газового промежутка (рис. 3.17). При достаточно малых расстояниях между электродами ударная ионизация затруднена из-за краткости пути пробега носителей зарядов от одного электрода до другого, что особенно заметно при расстояниях, соизмеримых с длиной свободного пробега носителей.

Однородность электрического поля существенно сказывается на электрической прочности газообразных диэлектриков.

О

Рис. 3.17. Влияние расстояния между электродами на электрическую прочность воздуха

днородным является такое электрическое поле, во всех точках которого одинакова плотность силовых линий и неизменна напряжённость E (рис. 3.18, а).

В неоднородном поле частичная ионизация, а затем и полный пробой газообразного диэлектрика начинаются в областях с повышенной напряжённостью поля, где кинетическая энергия заряженных частиц достаточна для развития ударной ионизации газа. В неоднородном электрическом поле (рис. 3.18, б) напряжённость E у игольчатого электрода весьма высока. Если она превышает электрическую прочность газа, то газ в этой зоне ионизирован и токопроводен, за счёт чего сокращается толщина слоя ещё неионизированного газа, что, естественно, снижает электрическую прочность газообразного диэлектрика между электродами. Зависимость напряжения пробоя газообразного диэлектрика

о

Рис. 3.18. Распределение силовых линий и напряжённости в однородном (а) и неоднородном (б) электрических полях

Рис. 3.19. Зависимость напряжения пробоя воздуха от формы электродов и расстояния между ними

т формы электродов, создающих однородное и неоднородное электрические поля, показано на рис. 3.19.

Легко заметить, что пробой газа в однородном поле при прочих равных условиях происходит при большем напряжении U_пр, чем в неоднородном.

Электрическое поле между полусферическими электродами более однородно, чем в системе «остриё – полусфера», поэтому напряжение пробоя в этом случае значительно выше, а опасность пробоя понижена.

Ч астота переменного электрического поля оказывает влияние на пробой газообразного диэлектрика лишь при весьма высоких частотах.

Пробой газа обусловлен потоком носителей зарядов с малой массой, с высокой подвижностью и происходит всего за 10^–7 10^–8 с.

О

Рис. 3.20. Зависимость электрической прочности воздуха от частоты переменного электрического поля

т частот, близких к промышленной частоте 50 Гц, электрическая прочность воздуха практически не зависит (рис. 3.20), так как пробой успевает свершиться за половину периода переменного напряжения.

При высоких частотах, приближающихся к 1 МГц, в разрядном промежутке образуются пространственные положительные заряды, которые ввиду их малой подвижности не успевают за время полупериода достичь отрицательного электрода и нейтрализоваться, но делают электрическое поле неоднородным и снижают электрическую прочность газа в разрядном промежутке.

При частотах, значительно больших, чем 1 МГц, электрическая прочность газа возрастает, так как продолжительность полупериода становится столь малой, что пробой свершиться не успевает.