VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Атмосферный воздух является естественной изолирующей средой в большинстве электротехнических конструкций. В воздушных линиях электропередач воздух образует единственную изоляцию между неизолированными проводами линий. Воздушные искровые промежутки защитных разрядников (роговых, вентильных) обеспечивают изоляцию между высоковольтными частями защищаемых установок и землей в нормальных условиях работы, а при возникновении перенапряжений уровень электрической прочности воздушных промежутков определяет напряжение срабатывания разрядников.

Основной причиной возникновения электрического разряда в воздухе является ударная ионизация, которая возникает под действием электронов, ускоряемых электрическим полем.

Разряд, существующий при поддержке внешнего ионизатора, вызывающего возникновение свободных электронов, называется несамостоятельным.

Критерием пробоя промежутка является выполнение условия самостоятельности разряда. Самостоятельным называется разряд, в котором появление заряженных частиц, необходимых для поддержания разряда, обусловлено ионизационными процессами, происходящими в самом газовом промежутке и на поверхности катода без облучения его посторонним источником излучения.

Процесс ионизации газа электронами и положительными ионами характеризуется тремя коэффициентами, которые ввел в своей теории газового разряда английский физик Таунсенд:

1) - коэффициент ударной ионизации электронами, т.е. число свободных электронов образуемых одним электроном на 1 см пути от катода к аноду при столкновении его с нейтральными атомами и молекулами.

Выражение для выводится при следующих допущениях:

а) электрон ионизует только тогда, когда его кинетическая энергия W_к равна или превышает энергию ионизацииW_и();

где m – масса электрона, V – скорость электрона.

б) электрон набирает энергию только на длине свободного пробега , и полностью ее теряет при соударениях с молекулами и атомами;

в) электрон двинется вдоль силовых линий электрического поля.

Число ионизирующих столкновений на единице длины определяется как

, где (1)

,

А - постоянная, зависящая от вида газа и от величины температуры, принятой неизменной;

Е - напряженность электрического поля;

р - давление;

В=АU_и (U_и - потенциал ионизации).

Обычно зависимость (1) записывается как

или (2)

Графически зависимость (2) для воздуха представлена на рис. 1 и свидетельствует о том, что при неизменном отношении E/р коэффициент ударной ионизации электронами  прямо пропорционален давлению газа.

2) - коэффициент ударной ионизации положительными ионами, т.е. число свободных электронов, образуемых одним положительным ионом при столкновении с нейтральными частицами газа на 1 см пути от анода к катоду;

3) - коэффициент поверхностной ионизации, т.е. число электронов, вылетевших с 1 см² поверхности катода в результате бомбардировки ее положительными ионами.

Электроны, образующиеся в результате ионизации газа, движутся к аноду в виде компактного облачка, именуемого лавиной электронов. По мере продвижения к аноду число электронов в лавине растет по экспоненциальному закону, достигая предельного значения.

Рис. 1 Зависимость для воздуха.

Для однородного поля число электронов и плотность электронного тока у анода соответственно можно записать выражениями:

, (3)

, где

S - расстояние между электродами; j₀ - ток, вызываемый внешним ионизатором;n₀ - число электронов в межэлектродном промежутке, появившихся вследствие действия внешнего ионизатора.

Экспериментально установил немецкий ученый Пашен еще до создания теории газового разряд Таунсендом. Функциональная зависимость (9) является законом Пашена, который, как следствие, вытекает из теории Таунсенда. Закон Пашена может быть представлен графически (рис. 2).

Характерной особенностью кривых на графике является наличие минимумa разрядного напряжений. Наличие правой и левой ветвей в кривых Пашена можно качественно объяснить следующим образом.

При постоянном межэлектродном расстоянии (S=const) повышение разрядного напряжения вправо от U_min объясняется тем, что с увеличением давления Р уменьшается длина свободного пробега электронов . Вследствие этого уменьшается кинетическая энергия, необходимая для акта ионизации. Чтобы увеличить кинетическую энергию до необходимого уровня, надо увеличить напряженность поля Е, то есть поднять напряжение U. Увеличение разрядного напряжения U_пр влево от U_min при уменьшении давления связано с тем, что уменьшается число столкновений электронов с молекулами вследствие уменьшения концентрации молекул. Для увеличения числа столкновений, которые завершаться ионизацией, то есть увеличения вероятности ионизации, необходимо увеличить напряжение (U).

Если давление неизменно (Р=const), то повышение U_пр вправо от минимума можно объяснить тем, что при увеличении S уменьшается напряженность поля Е. Это приводит к уменьшению вероятности ионизации. Чтобы поддержать ионизационные процессы на должном уровне, необходимо увеличить напряжение.

Рис. 2 Зависимость разрядного напряжения некоторых газов

от произведения .

Данное явление необходимо исследовать и учитывать в расчетах при проектировании высоковольтных ЛЭП. Поэтому в лабораторных условиях необходимо собрать экспериментальную установку.

Схема экспериментальной установки.

В качестве источника высокого переменного напряжения используется трансформатор НОМ-10. Для изменения давления в разрядной камере используется форвакуумный насос типа BH-461M. Для измерения давления в разрядной камере используются 2 вакуумметра - механический типа ЭКВ-IV (М1) и термопарный ВТ-2А (М2). Термопарный вакуумметр ВТ-2А предназначен для измерения малых давлений воздуха и состоит из термопарной манометрической лампы и измерительного блока, включающего схему для питания нагревателя термопары и стрелочный прибор, измеряющий Э.Д.С. термопары и ток нагревателя. Шкала стрелочного прибора отградуирована в милливольтах. Используя градуировочную кривую термопарной лампы (рис.4), определяют значение давления в мм.рт.ст.

R_з – защитное сопротивление, РК – разрядная камера, М1 – манометрический преобразователь механического типа (ЭКВ-IV), М2 – термопарный манометрический преобразователь (ВТ-2А); В1, В2, В3, В4 – вентили.

Рис. 3 Схема экспериментальной установки.

Принцип действия прибора основан на изменении Э.Д.С. термопары в зависимости от температуры нагревателя. При постоянном токе нагревателя Э.Д.С. термопары будет определяться давлением окружающего газа. При понижении давления теплопроводность газа уменьшается, температура нагревателя увеличится, увеличится и Э.Д.С. термопары. При измерении давлений в диапазоне p=210^-1 - 210^-3 мм.рт.ст. ток нагревателя термопары регулируется в пределах 95-150 мА. Ток устанавливается при положении переключателя "Ток накала" рукояткой "Регулировка тока накала". При измерении Э.Д.С. термопары переключатель устанавливается в положение "Измерение".

Для определения давления в мм.рт.ст. по показаниям механического вакуумметра используется формула:

,

где - показания механического вакуумметра.

Рис. 4 Градуировочная кривая вакуумметра в диапазоне

p=210^-1 - 210^-3 мм.рт.ст.

Принцип действия U-образного масляного вакуумметра основан на уравновешивании измеряемого давления (или разницы давления, как в нашем случае) давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости. Для определения давления в мм.рт.ст. по показаниям U-образного масляного вакуумметра используется формула:

,

где Р₁ – значение давления относительно которого ведется расчет,

_м = 860 кг/м³ – плотность масла в вакуумметре, g=9,8 м/с²,

h – разница столбов масла вакуумметра, м.

2.2. Определить разрядные напряжения при различных давлениях в разрядной камере с промежутком S=1см.

1.  
   1.  

      1. Первоначальное положение всех вентилей (В1, В2, В3, В4) – закрыто.

      2. Кнопкой «Пуск» на передней панели установки запускаем форвакуумных насос.

      3. Открывая вентиль В1 начинаем откачивать воздух из разрядной камеры. После того как давление в камере станет минимальным (отслеживается по стрелочному прибору, измеряющему Э.Д.С. термопары), открываем вентиль В2 для подключения к вакуумной системе U-образного масляного вакуумметра.

      4. После выравнивания давления в системе и установления его минимального значения, производим измерение U_пр в разрядной камере.

      5. Уменьшая давление в камере (закрыв вентиль В1, приоткрывая вентиль В4) производим измерение U_пр. Измерение давления в разрядной камере в диапазоне 10^-210^-1 мм.рт.ст. производится с помощью термопарного вакуумметра, в диапазоне 10^-110¹ мм.рт.ст. с помощью U-образного масляного вакуумметра, в диапазоне 10¹10² мм.рт.ст. с помощью механического вакуумметра. Результаты измерений давления воздуха и соответствующие ему значения U_пр заносятся в табл. 1

Таблица 1

		Давление		P * S,	Uпр, кВ
			мм.рт.ст.	мм.рт.ст.*см
S=const= ,см	Теромпарный вакууметр (ЭДС, мВ)
	Масляный вакууметр (dH, см)
	Механический вакууметр (Р, дел.)

1.  

   1. Определить разрядные напряжения при одном давлении для различных значений межэлектродных промежутков. Данные занести в табл. 2.

   2. Выключение установки производится следующим образом:

• Вентили В1, В2, В3, В4 выводятся в положение – «Закрыто».

• Приоткрывая вентиль В3, в момент начала поступления воздуха в систему, производим отключение форвакуумного насоса.

Таблица 2

	Расстояние	P * S,	Uпр, кВ
	S, см	мм.рт.ст.*см
P=const= мм..рт.ст.

Для проведения испытаний в экстремальных условиях в целях сбережения дорогостоящего оборудования можно построить математическую модель эксперимента.

Рассмотрим алгоритм этой модели:

Экспериментальные данные по коэффициенту объемной ионизации электронами некоторых газов представлены на рис.2.

Рис. 2.

1. Найдем коэффициент объёмной ионизации АРГОНА по формуле:

,

т.к. A=13.6 cm^-1Topр^-1, В=235 B cm^-1Topр^-1

E/p = 100-600, B cm^-1Topр^-1

Степень точности сделанного ранее допущения о постоянстве коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии γ можно оценить по экспериментальным данным, приведенным на рис. 3 и 4.

Рис.3 Рис. 4

Приближенные данные о коэффициенте вторичной эмиссии γ при облучении материалов ионами некоторых газов представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Металл	Fe	Pt	Ni
Газ
Ar	0,058	0,03	0,058

Вернемся к условию самостоятельности разряда (1). Поскольку токи, протекающие между электродами в предпробойном состоянии малы, не будем считаться со связанным с наличием объемных зарядов искажением потенциального рельефа между электродами. Примем, что для плоских электродов распределение потенциала между ними линейно. В связи с этим электрическое поле будет однородным, а его напряженность определяется, как

. (3)

Подставим выражения (2) и (3) в условие самостоятельности (1). Полученное при этом уравнение решается относительно Unp. Unp=f(pL) – получим эту зависимость:

,

1. Расчёт хода зависимости Unp=f(pL) для аргона при различных материалах катода:

Fe

 

Pt

 

Ni

 

Экспериментальная зависимость

Полученная зависимость Unp=f(pL) – аналитическое выражение закона Пашена. Необходимо обратить внимание на то, что давление газа и междуэлектродное расстояние входят в зависимость в виде произведения. Графическая иллюстрация закона Пашена в качественном виде представлена на рис.5.

Рис.5	Рис. 6. Экспериментальные зависимости.

Из простого анализа зависимости Unp=f(pL) видно, что если выражение под знаком логарифма примет значение, равное 1, то Unp станет бесконечно большим. Это означает лишь то, что вблизи pL, при котором складывается такая ситуация ионизации в объеме практически отсутствует и электрическая прочность промежутка следует определять с помощью закономерностей, характерных для вакуумного пробоя.

При достаточно больших значениях pL начинает играть существенную роль процессы ступенчатой ионизации, фотоионизации и др., что также обуславливает отклонение от закона Пашена.

Качественно ход кривой закона Пашена объясняется следующим образом. Рассматриваем относительно минимума кривой. Пусть L постоянно и меняется давление газа р. Давление газа р увеличивается, следовательно, количество молекул газа увеличивается, а значит длина свободного пробега электрона в газе уменьшается, поэтому на расстоянии каждого свободного пробега электрон в среднем проходит меньшую разность потенциалов и вероятность ионизации при столкновении уменьшается, что приводит к увеличению Unp. При уменьшении давления газа р уменьшается число столкновений электрона с молекулами газа на пути, пройденном электроном в направлении от катода к аноду.

Рассмотрим теперь случай, когда давление газа р постоянно, а меняется расстояние между электродами L. При увеличении этого расстояния уменьшается напряженность поля Е, так как в случае плоских электродов Е=U/L, падает энергия электронов, уменьшается вероятность ионизации, что влечет за собой увеличение Unp. При уменьшении расстояния между электродами L уменьшается пространство, находящееся в распоряжении идущей от катода к аноду лавины при ее развитии, значит число электронов уменьшается.

Уходят ли обе ветви кривой закона Пашена в бесконечность? Нет, слева ветвь ограничена вакуумным пробоем, справа – лавинным пробоем.

Вакуумный пробой заключается в следующем. При уменьшении расстояния между электродами напряженность поля у поверхности катода возрастает настолько, что начинается холодная эмиссия. Удары эмитируемых заряженных частиц бомбардируют электрод. Электрод начинает греться. Происходит выделение газов и испарение материала электрода, нарушается вакуум, и между электродами происходит пробой.

Вывод:

В работе установлено, что чем больше , тем меньше минимум кривой Пашена. Связано это с тем, что зависит от работы выхода. Чем меньше работа выхода катода, тем ниже минимум кривой Пашена.

Вид газа (а также добавление примесей другого газа) могут, как повышать минимум кривой Пашена, так и повышать его.

Сравнивая экспериментальные кривые Пашена и теоретические можно прийти к выводу, что характер зависимости в обоих случаях одинаков. Различия только в незначительных отклонениях минимума кривой. Связано это с неидеальностью системы, где снимались экспериментальные зависимости.

Вывод для расчета ЛЭП

Код для цитирования: Скопировать