5.Малий кут діелектричних потерьtg # 948; ≈10 -6.
6.Відсутність старіння.
Газоподібні діелектрики мають високі електроізоляційні властивості тільки при низькій напрузі. Ізолюючі властивості газу пояснюються тим, що атоми і молекули газів в природному стані є нейтральними, незарядженими частинками. Під дією зовнішніх іонізаторів (космічні і сонячні промені, радіоактивні випромінювання) у всіх газах є невелика кількість електрично заряджених частинок-електронів та іонів, що знаходяться в хаотичному тепловому русі, тобто відбувається процес іонізації газу. Під дією зовнішнього електричного поля відбуваються пружні деформації електронних оболонок атомів і переміщення їх відносно своїх ядер. Якщо молекула газу має іонну структуру будови, то відбувається також зміщення іонів відносно один одного. В результаті відбуваються електронні і іонні поляризації. Якщо ж газ складається з дипольних молекул, то відбувається і дипольная поляризація. Ступінь поляризації атомів і молекул газу характеризується діелектричною проникністю # 949 ;. Більшість газоподібних діелектриків, що застосовуються в електротехніці, неполярні і їх діелектрична проникність # 949; ≈1.
Іонізація газу призводить до того, що газ набуває невелику електричну провідність. Одночасно з іонізацією газу відбувається і рекомбінація позитивних і негативних іонів з утворенням нейтральних молекул і атомів. При малої напруженості електричного поля зберігається баланс між процесом іонізації і рекомбінації.
Малюнок 2-Залежність
струму від напруги,
прикладеного до обсягу
Вольт-амперна характеристика показує, що в області слабких електричних полів ток в газі зростає пропорційно прикладеній напрузі і тут дотримується закон Ома. На малюнку 2 це відповідає ділянці ОА. Особливість цієї ділянки полягає в тому, що поряд з іонізацією в газі відбувається рекомбінація, що виникає внаслідок об'єднання позитивних іонів і електронів, що здійснюють хаотичний безперервне теплове рух. В результаті рекомбінації утворюються нейтральні молекули газу. Питома провідність повітря в слабких полях становить близько 10 -15 См / м.
З подальшим зростанням напруги пропорційність між струмом і напругою руйнується. Струм починає рости повільніше, ніж напруга, і вольтамперная характеристика починає загинатися (ділянка АВ на малюнку 2). Збільшення напруги призводить до того, що при досягненні деякого його значення струм провідності перестає залежати від напруги. Настає насичення струму, що відповідає горизонтальній частині ВС малюнка 2. На цій ділянці все заряджені частинки, які утворюються в діелектрику під дією зовнішніх іонізаторів, несуться електричним полем до електродів, що не рекомбініруя. Струм, що протікає в діелектрику, досягає свого насичення. Струм насичення залежить від відстані між електродами в конденсаторі.
Крива ОС на вольтамперної характеристиці відповідає несамостійного розряду. Для своєї підтримки несамостійний розряд вимагає постійного освіти в розрядному проміжку заряджених частинок під дією зовнішніх чинників. Іонізація газу відбувається, в основному, за рахунок електронів, так як позитивні іони мають меншу рухливістю.
При подальшому збільшенні напруги швидкість заряджених частинок різко зростає, внаслідок чого відбуваються їх часті зіткнення з нейтральними частинками газу. В результаті електрони відокремлюються від своїх атомів і утворюються нові електрично заряджені частинки: вільні електрони і іони. Цей процес називається ударною іонізацією (ділянка СЕ) і призводить до пробою газу. В процесі ударної іонізації початкові електрони, що виникли в результаті дії зовнішніх чинників, беруть участь в подальшому процесі іонізації, створюючи нові електрони.
В результаті виникає первинна електронна лавина, яка зі швидкістю 10 5 м / с переміщається до анода. На шляху проходження лавини утворюється канал, що складається з електронів і позитивних іонів, щільність зарядів в якій швидко росте і досягає свого максимуму в голівці лавини у анода. Зі збільшенням напруги несамостійний розряд переходить в самостійний. Самостійний розряд може існувати при відсутності зовнішніх іонізаторів. Збільшення концентрації іонів і електронів відбувається при цьому за рахунок нових елементарних процесів, пов'язаних з самим розрядом.
В одних видах розряду електронні лавини створюють електрони завдяки ударам позитивних іонів про катод. Залежно від тиску газу, опору зовнішнього ланцюга, ступеня неоднорідності електричного поля і ряду інших чинників, можливі різні форми розряду.
Пробій в повітрі при наявності в ньому однорідного електричного поля, при нормальному атмосферному тиску, великих відстанях між електродами, але малопотужному джерелі струму, відбувається у вигляді іскри. При цьому виді розряду окремі електронні лавини зливаються і утворюють суцільний канал. Більш рухливі електрони швидше переміщуються до анода, тому канал в основному складається з позитивних іонів і його називають стримером. Стример переміщається до катода зі швидкістю 10 6 м / с. Коли стример досягає катода, і електропровідний плазмовий канал замикає розрядний проміжок, відбувається утворення головного каналу іскри. Пробивним напругою газу є напруга, при якому відбувається іскровий розряд. Якщо потужність джерела напруги достатня, то іскровий розряд може перейти в дугового.
Пробій газу в неоднорідному електричному полі відрізняється від пробою в однорідному полі. Неоднорідне поле утворюється між вістрям і площиною, коаксіальними циліндрами, між сферичними поверхнями, якщо відстань між ними більше радіусу сфери.
Пробій газу в неоднорідному електричному полі відбувається при меншій напрузі в порівнянні з пробоєм того ж шару газу в однорідному електричному полі. Спочатку настає неповне електричне руйнування шару газу у електрода з меншим радіусом, так як у його поверхні спостерігаються найбільші напруженості електричного поля. При підвищенні напруги виникає розряд у вигляді корони. При подальшому підвищенні напруги корона переходить в іскровий розряд, а при достатній потужності джерела-в дугового.
В однорідному електричному полі пріT = constпробой газоподібного діелектрика виражається наступною формулою:
гдеUпр = пробивна напруга шару газу, В;
h-відстань між електродами, м;
На рісунке3 показані залежності пробивної напруги різних газів від твору тиску на відстань між електродами.
Малюнок 3 -залежних пробивної напруги різних газів від твору тиску на відстані між електродами
Електрична міцність газу залежить від його природи, будови його молекули. Електрична міцність газу в сильному ступені залежить від його щільності, тобто від тиску пріt = const: тому для розрахунку пробивної напруги повітря застосовується формула
гдеUпр-пробивна напруга при даній температурі і тиску;
Uпро-пробивна напруга при нормальних умовах;
# 948; відносна щільність повітря.
Відносна щільність розраховується за формулою:
З малюнка 3 видно, що пробивна напруга збільшується зі зростанням його тиску і зі збільшенням шару між електродами. При високому тиску відстань між окремими молекулами стає менше, зменшується довжина вільного пробігу електронів і додаткова енергія заряджених частинок, необхідна для іонізації, може бути отримана при збільшенні напруженості поля. Зі зменшенням тиску і відстані між електродами пробивна напруга зменшується до мінімуму (для воздухаUпр = 280 В), а потім знову починає зростати в області розрідженого газу. Це пояснюється тим, що в області розрідженого газу різко зменшується кількість атомів і молекул, що є об'єктами іонізації, а значить, процес ударної іонізації відбувається при більш високих напругах.
Малюнок 4 -залежних пробивної напруги повітря між вістрям і площиною при різній полярності вістря.
У неоднорідному полі пробій газу залежить від полярності електродів. При позитивно зарядженому вістря і негативно зарядженої площини пробивна напруга буде менше, ніж при негативно зарядженому вістря. Відстань між електродами в обох випадках залишається незмінним.
Така залежність пояснюється тим, що близько вістря накопичуються позитивно заряджені іони і поширюються в напрямку негативно зарядженої площини. В цьому випадку, вістря як би проростає в товщу газу, скорочуючи шлях искровому розряду. Для підвищення пробивної напруги газоподібного діелектрика і з метою уникнення можливих електричної корони, гострі краї електродів необхідно закруглити.
ІзмененіеEпрвоздуха в однорідному полі при зміні расстояніяhмежду електродами показано на малюнку 5
Малюнок 5 -залежних електричної міцності повітря від відстані між електродами в однорідному полі при нормальних умовах ± 50 Гц., T = 20 о С, р ≈0,1 мПа.
При малих відстанях між електродами спостерігається значне збільшення електричної міцності повітря. Це пояснюється тим, що розвиток процесів іонізації ускладнюється через малу загальної довжини вільного пробігу електронів. Так як процес пробою газу відбувається дуже швидко, то значення електричної міцності (або пробивної напруги газового проміжку) при змінній напрузі визначається амплітудним значенням:
На практиці трапляються випадки пробою газу на кордоні з твердим діелектриком. Розглянутий приклад можна представити у вигляді плоского двошарового конденсатора з різною товщиною шару і відносної діелектричної проникністю. Так як гази мають меншу діелектричну проникність # 949; і меншу електричну міцність, вони виявляються в невигідному становищі. Шари діелектриків з більшою діелектричної проникністю # 949; прагнуть розвантажитися і перекласти частину електричної напруги на шари з меншою # 949 ;. Пробивна напруга повітря на кордоні з твердим діелектриком буде менше в порівнянні з пробивним напругою для того ж відстані в газі при відсутності твердого діелектрика (див. Рисунок 6).
Малюнок 6 -залежних напруги перекриття в
повітрі від відстані для різних матеріалів
в порівнянні з пробивним напругою
відповідного повітряного проміжку.
1-пробою повітряного проміжку
4-фарфор, скло при поганому контакті
Так як електрична міцність повітря невелика, то для підвищення газової ізоляції застосовуються високоміцні стислі гази, наприклад елегаз. Основні характеристики елегазу (SeF6): щільність-6700 кг / м3 пріt = 0 0Cіp = 0,1 МПа; діелектрична проникність # 949; = 1,0021 пріp = 0,1 МПа; електрична прочностьEпр = 7,2 МВ / м.
Крім високої електричної міцності елегаз володіє вищою дугогасящей здатністю. Завдяки своїм властивостям елегаз використовується в вимикачах, в високовольтних кабелях, розподільних пристроях.
Опис лабораторної установки
Принципова схема лабораторної установки для випробування діелектриків показана на малюнку 7
Малюнок 7- Принципова схема установки АИИ -70 для ізмереніяUпрна змінній напрузі
Випробувальна установка містить:
QF1 -автоматичний вимикач;
SQ1 -блокіровочний контакт;
TV1 -регуліровочний трансформатор;
TV2 -Трансформатори напруження кенотрона;
TV3 -іспитательний трансформатор для підвищення напруги;
Принцип роботи апарату для випробування ізоляції типу АИИ-70.
ІзмереніеUпр зразків рідких і твердих матеріалів може виконуватися за допомогою установок, що випускаються серійно.
Апарат для випробування ізоляції типу АИИ-70 призначений для визна леніяUпр матеріалів і випробування ізоляції кабелів. Найбільша напруга при випробуваннях на змінному струмі становить 50 кВ, на постійному струмі 70 кВ, потужність високовольтного трансформатора 2 кВА.
Напруга від мережі через блокувальні контакти і запобіжники підводиться до регулювального трансформатора ТV1, службовцю для плавної зміни напруги, і до трансформатора напруження кенотрона ТV2. Включення високої напруги здійснюється шляхом включення автоматичного виключателяQF1, що має три обмотки; дві з них з'єднані послідовно (причому одна шунтируется перемикачем защітиS2). Розімкнуте положення цього перемикача відповідає "чутливої" захисту: автомат спрацьовує при пробої на стороні змінного струму і залишається включеним, якщо струм в ланцюзі випрямленої напруги не перевищує 5 мА. Коли переключательS2 замкнутий, здійснюється "груба" захист: автомат не спрацьовує при короткому замиканні на високій стороні і залишається включеним, якщо потужність на стороні високої напруги при 50 кВ не перевищує 2 кВА. Такий режим повинен тривати не більше 1 хв. Вимірювання напруги на зразку проводитися вольтметромkVкласса 1.5 на стороні низької напруги, переписати в кіловольт. Конденсатори. З служать для захисту від перенапруги первинної обмотки. При синусоїдальної формі кривої напруги живлення вторинна напруга високовольтного трансформатора в режимі холостого ходу не відрізняється від синусоїдального більш ніж на 5%. РезісторR1 служить для захисту трансформатора від перевантаження при пробої зразка. В установці є посудину з електродами для стандартного випробування рідких матеріалів. Випробування на постійному струмі виробляють за допомогою однополупериодного випрямляча, для отримання якої використовується кенотронVL1; на зразок подається постійна напруга негативної полярності. Якщо необхідно виміряти струм витоку, то для цієї мети використовується мікроамперметрPA1 в анодному ланцюзі. Захист микроамперметра від перевантажень здійснюється за допомогою разряднікаFV1, шунтирующего конденсатора С3 і сопротівленіяR2. Апарат забезпечений пультом управління, захисним огородженням і заземляющей штангою для зняття заряду з випробуваного зразка і заземлення виводу високої напруги. Похибка при вимірюванні випробувальної напруги не перевищує ± 2%.
Випробування за допомогою даного апарату можуть проводитися при наступних трьох режимах.
1.Кратковременное випробування випрямленою напругою до 70 кВ при тривалості не більше 10 хв з інтервалами 3 хв.
2.Продолжітельное випробування випрямленою напругою тривалістю до 8 год.
3.Кратковременное випробування змінною напругою до 50кВ при дли- ності не більше 1 хв з інтервалами 5 хв.
1.Ознакоміться зі схемою лабораторної установки, вивчити будову та принцип роботи апарату АИИ-70.
2. До включення лабораторної установки в мережу виконати наступне:
а) підключити електроди до високовольтних шпильок.
б) встановити задану відстань між електродами.
в) встановити рукоятку автотрансформатора в нульове положення
г) включити лабораторну установку в мережу за допомогою автоматичного включателяQF1. За допомогою регулювального автотрансформатора ТV1 змінювати напругу від нуля до пробивної напруги зі швидкістю 1 кВ / с. Як пробивної напруги фіксують найбільші показання вольтметра перед моментом пробою. Після пробою рукоятку автотрансформатора ТV1 встановити в нульове положення і відключити установку.
3. Зняти з описаною методикою завісімостьUпр = f (h) повітря в однорідному електричному полі. Пробивна напруга визначається при відстані між плоскими електродами 0.5, 1, 1.5, 2.0, 3.0 і 4.0 см. Результати випробувань занести в таблицю 1.
Таблиця 1 Результати дослідження електричної міцності повітря в однорідному електричному полі (площину - площину)
Відстань між електродами h, м