Техника Высоких Напряжений Лекция 2

Техника
Высоких
Напряжений
Лекция 2
1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ
1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ
превышает nкр ≥
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.6. Стримерная форма разряда
Лавинная форма самостоятельного разряда в однородном поле, для
которой характерна ионизация во всем объеме газа, имеет место,
если произведение αx, определяющее число электронов в отдельной
лавине, относительно невелико – не превышает несколько единиц.
αx
Если
≥18-20, то
превышает nкр ≥ 108
ne  exp(  x)
 109
При этих условиях разряд переходит в новую форму – стримерную.
1
2
3
4
5
Механизм развития
положительного стримера:
1 – катод; 2 – канал
стримера; 3 – лавины; 4 –
фотоны; 5 – электрон,
появившийся за счёт
фотоионизации.
2
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.7. Искровой разряд
Стримерная форма разряда в коротких промежутках
завершается, когда стримеры замыкают промежуток, и в
результате образуется искровой канал.
Электрическая искра имеет вид ярко светящегося канала,
соединяющего оба электрода, который обычно бывает
разветвлен. Искровой разряд возникает в том случае, если
электрическое поле в газе достигает некоторого
определенного значения Ек (критическая напряженность
поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода
газа и его состояния.
3
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Значение Ек возрастает с увеличением давления.
Концентрация электронов в канале в момент его возникновения
находится на уровне
n  1019 м -3
e
Частота столкновений электронов с молекулами газа составляет
1012 с-1. Сопротивление канала оценим как для цилиндрического
проводника:
R  lк / S
где  – удельное сопротивление канала, lк – длина канала, S – сечение канала
(10-810-7 м-2).
При длине канала 1 см сопротивление искрового канала имеет
порядок 104105 Ом.
4
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Процессы в искровом разряде достаточно сложны: вначале
ионизация распространяется по оси канала в виде волны
(волна ионизации) со скоростью более 108 см/с, затем рост
концентрации электронов происходит однородно по длине.
Эти процессы описываются моделью Ромпе-Вайцеля, по
которой сопротивление канала:
R
lк
,
2а 2
I dt

р
где: R – сопротивление канала, a – постоянная, зависящая от давления газа,
p – давление газа, I – ток разряда.
Модель Ромпе-Вайцеля описывает изменение концентрации электронов в
диапазоне 10151018 см-3 при плотностях тока выше 10 А/см2. Необходимо
отметить, что сопротивление канала не зависит от его сечения, так как
концентрация электронов, а следовательно и проводимость плазмы при
заданном токе обратно пропорциональны сечению.
5
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.8. Закон Пашена (1889 г.) – закон
подобия (F. Paschen)
Пашен ОПИСАЛ зависимость пробойного напряжения U от
произведения давления газа Р и расстояния между
электродами S.
Условия самостоятельности разряда
S
 (е  1)  1
(S – расстояние между электродами,  – коэффициент ударной ионизации, γ
– обобщенный коэффициент вторичный эмиссии)
Или (раскрываем скобки)
e
S
1
 1

Прологарифмируем и преобразуем относительно 
6
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1
ln(1  )


S
Экспериментально установлено
  A P  e

B P
E
Р – давление газа,
Е – напряженность электрического поля,
А – коэффициент, зависящий от состава газа,
В – коэффициент, зависящий от энергии ионизации газа,
причем, В = АUи, где Uи – потенциал ионизации газа.
7
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Приравняв выражение для , получим:
A P  e

B P
E
1
 1
ln 1  



S
ln( 1  )  A  P  S  e


BP
E
Подставив Е = U/S, получим (переход от
напряженности к напряжению)
1
ln( 1  )  A  P  S  e


BPS
U
8
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Прологарифмируем и получим
BPS
A P  S
 ln
1
U
ln( 1  )

Поскольку нас интересует напряжение, при котором
произойдет пробой, то приравняв U=Uпр., получим
U пр

ВРS
A P  S
ln
1
ln( 1  )

9
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
U пр
BPS
BPS
BPS



ln A'P  S ln A' ln P  S A *  ln P  S
Видно, что Uпр
= f (PS)
Для воздуха при атмосферном давлении 1 атм,
В = 43,6*106 и А* = 12,8.
10
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
При дифференцировании его по (РS) и
приравнивании производной к нулю, можно получить
минимальное напряжение пробоя Uпр при
1 A*
PS  e
Отсюда, при А*=12,8 РS=7,5*10-6 (атм*м)
(при атмосферном давлении Р=1 атм получаем расстояние между
электродами S=7,5 микрометров.)
По формуле
BPS
U
A *  ln P  S
получим минимальное
напряжение, при котором
можно пробить воздушный
промежеток
BPS
43,6 106 1 7,5 106
U пр 

 327 ( B)
6
A *  ln P  S 12,8  ln( 1 7,5 10 )
11
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Экспериментальные кривые Пашена для гелия, неона, аргона, водорода
и азота
12
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Следствием закона Пашена являются способы
повышения пробивного напряжения газов:
необходимо или увеличение давления выше
атмосферного или уменьшение давления до
значений меньших, чем давление,
соответствующее минимуму кривой, вплоть до
вакуума. В однородном поле при атмосферном
давлении прочность воздуха составляет 30 кВ/см,
а минимальное значение Uпр ≈ 327 В.
13
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.9. Разряд в неоднородных полях
В неоднородном поле, в отличие от
однородного, напряженность поля в
различных точках промежутка разная
по величине и/или по направлению.
U
E
E
E
*
ECP
3
2
1
U
 4S 
r ln 1 

r 

.
S
Зависимость напряженности электрического
поля от расстояния между электродами типа
стержень – плоскость. 1 – ЕСР ≠ f(S); 2 – Е = f(S);
3 – Е* – возникновение самостоятельной формы
разряда.
14
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
При увеличении напряжения свыше Uк, когда количество
электронов в лавине возрастает до 107108, в промежутке
возникает стример у электрода с повышенной
напряженностью поля.
В резконеоднородном поле стример, пройдя некоторое
расстояние, может остановиться, и заряды в плазме
рекомбинируют. Этот процесс может повторяться. Такое
состояние разряда устойчивое, т. е. выполняется условие
самостоятельности разряда. Явление, когда стримеры не
достигают противоположного электрода, получило
название коронного разряда в стримерной форме
(стримерная корона).
15
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Для пробоя всего межэлектродного промежутка
необходимо еще увеличить напряжение.
Причем, пробой промежутка при положительной
полярности электрода с малым радиусом кривизны
(острие) происходит при меньших в (2-2,5 раза)
напряжениях, чем при отрицательной. Это явление
связано с влиянием поля объемного заряда в
межэлектродном промежутке и называется эффектом
полярности.
В резконеоднородных полях напряжение пробоя
всегда больше напряжения возникновения
коронного разряда в любой форме.
16
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.10. Дуговой разряд
Дуговой разряд – самостоятельный электрический
разряд в газе, горящий при относительно низком
напряжении, которое соответствует значениям
потенциала ионизации атомов газа (единицы…десятки
электронвольт). Особенностью дуговых разрядов
является существование больших токов (1…100 кА),
которые ограничиваются только мощностью источника
питания разряда.
Впервые дуговой разряд наблюдался между двумя
угольными электродами в воздухе в 1802 г.
В.В. Петровым.
17
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
18
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Дуга в воздухе на линии 500 кВ
19
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.11. Коронный разряд
Коронный разряд – один из видов самостоятельного
разряда, возникающий в резконеоднородном поле у
электрода с малым радиусом в широком диапазоне
давлений – от атмосферного до сотен атмосфер и выше
– и не завершающийся пробоем.
Коронный разряд возникает у
электрода с малым радиусом
кривизны и горит в виде светящегося
ореола – «короны» (отсюда и
название).
20
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
1.1.11.А. Корона на постоянном напряжении
Распределение
зарядов в униполярной
короне
Распределение зарядов
в биполярной короне
21
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
U
U макс
Uн
t4
t1 t2
t5
t6
t7
t
t3
а)
U0
iC
На переменном напряжении
коронный разряд зажигается
iCпри достижении
ik
начального
напряжения, равного
напряжению зажигания короны
t
Uн = Uк при времени t1
t 1 t 2 1.12,
t 6 провода
t7
t5
t3 tа).
4
(рис.
Вокруг
б)
образуется зона ионизации,
называемая чехлом короны
ik
t
t1 t2
t3 t 4
t5
t6
t7
б)
t 1 (t 6)
t 2 (t 7)
t3
t4
t5 в)
22
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Отрицательные свойства короны –
потери электроэнергии,
радиочастотные помехи.
Положительное свойство короны –
снижение перенапряжений.
23
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
Вопросы для самопроверки
1. Чем отличается стримерный разряд от лавинного?
2. Чем отличается искровой разряд от дугового?
3. В соответствии с законом Пашена, как можно увеличить пробивное
напряжение межэлектродного промежутка в газе?
4. В чем заключается особенность разряда в резконеоднородном поле в газе?
5. Виды короны на постоянном напряжении.
6. Корона на переменном напряжении.
7. Как уменьшить потерю на корону на переменном напряжении?
8. В каких случаях коронный разряд на линиях электропередач играет
положительную роль?
24
Техника высоких напряжений ЭНИН каф. ЭЭС
THE END
25