Электроматериаловедение - Газообразные диэлектрики

ГЛАВА X. ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
§ 43. Значение газообразных диэлектриков
К газообразным диэлектрикам относятся все газы, в том числе воздух, представляющий собой смесь ряда газов и паров воды.

Рис. 90. Коронирующий разряд (электрическая корона) в воздухе около провода
Многие газы (воздух, азот и др.) используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и в других электрических устройствах. Воздух окружает все электрические установки и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы. Провода линий электропередачи высокого напряжения, закрепленные на мачтах с помощью фарфоровых или стеклянных изоляторов, на всем протяжении изолированы друг от друга только слоем воздуха. Иногда в слое воздуха, непосредственно соприкасающемся с поверхностью проводов высокого напряжения, наблюдается характерное светло-фиолетовое свечение - электрическая корона (рис. 90), которая сопровождается характерным шипением.
Электрическая корона возникает при ухудшении электроизоляционных свойств воздуха или при воздействии па воздух повышенной величины напряжения. В результате этого в слое воздуха возникает процесс ионизации его частиц (атомов и молекул) летящими свободными электронами и нонами.
Процесс ионизации газа и, в частности, явление электрической короны вызывают потери энергии, чего не следует допускать в электрических устройствах.
В особенно невыгодных условиях работы оказываются газовые включения внутри твердой изоляции. Напряженности (Е) электрического поля в последовательно соединенных слоях изоляции распределяются обратно пропорционально их диэлектрическим проницаемостям, т. е.
(43)
У всех газов диэлектрическая проницаемость (ei) немногим больше единицы (табл. 26), а у твердых диэлектриков (е2) она находится в пределах от 2 до 8 и больше. Вследствие этого газовые включения (пузырьки воздуха) внутри твердой изоляции будут находиться под воздействием напряженностей от 9 до 8 раз, превосходящих напряженности в твердой изоляции. Это может вызвать ионизацию газовых включений, т. е. образование в них большого количества электрически заряженных частиц (электронов и ионов).
Таблица 26 Основные характеристики газообразных диэлектриков*

              Электрические характеристики и плотность выражены в истинных значениях, соответствующих данному газообразному диэлектрику, а тепловые характеристики — в условных единицах.
Элегаз—электрический газ, представляет собой соединение фтора с серой (шестифтористая сера); применяется в некоторых электрических аппаратах.
Вследствие этого газ может превратиться из диэлектрика в проводник, что ослабит изоляцию всей системы. Ионизация газовых включении часто влечет за собой пробой твердой изоляции, что может вызвать выход из строя электрической машины, аппарата, кабеля и т. д. В нормальных же условиях работы газообразные диэлектрики имеют очень малую проводимость и незначительные диэлектрические потери (tgSsdO_6), поэтому они широко применяются в высоковольтных выключателях, конденсаторах и в других устройствах. Приведенные примеры показывают, что изучение электрических явлений в газах и, в частности, в воздухе представляет практический интерес.

§ 44. Электропроводность газов

Во всех газах еще до воздействия на них электрического напряжения всегда имеется некоторое количество электрически заряженных частиц — электронов и ионов, которые находятся в беспорядочном тепловом движении. Это могут быть заряженные частицы газа, а также заряженные частицы твердых и жидких веществ— примесей, находящихся, например, в воздухе.
Образование электрически заряженных частиц в газообразных диэлектриках вызывается ионизацией газа внешними источниками энергии (внешними ионизаторами): космическими и солнечными лучами, радиоактивными излучениями Земли и др.
Процесс ионизации газа внешними ионизаторами заключается в том, что они сообщают часть энергии атомам газа. При этом валентные электроны приобретают дополнительную энергию и отделяются от своих атомов, которые превращаются в положительно заряженные частицы — положительные ионы. Образовавшиеся свободные электроны могут длительно сохранять самостоятельность движения в газе (например, в водороде, азоте) или через некоторое время они присоединяются к электрически нейтральным атомам и молекулам газа, превращая их в отрицательно заряженные ионы. Появление электрически заряженных частиц в газе может быть также вызвано выходом электронов с поверхности металлических электродов при их нагревании или воздействии на них лучистой энергии.
Находясь в беспорядочном тепловом движении, некоторая часть противоположно заряженных (электронов) и положительно заряженных (ионов) частиц воссоединяется друг с другом и образует электрически нейтральные атомы и молекулы газа. Этот процесс называется восстановлением или рекомбинацией.

Рис. 91. Вольтамперная характеристика для газообразного диэлектрика
Если между металлическими электродами (диски, шары) заключить какой-то объем газа, то при приложении к электродам электрического напряжения на, заряженные частицы в газе будут действовать электрические силы — напряженности электрического поля.
Под действием этих сил электроны и ионы будут перемещаться от одного электрода к другому, создавая электрический ток в газе.
Ток в газе будет тем больше, чем больше заряженных частиц образуется в нем в единицу времени и чем большую скорость приобретают они под действием сил электрического поля. Ясно, что с повышением напряжения, приложенного к данному объему газа, электрические силы, действующие на электроны и ионы, увеличиваются. При этом скорость  заряженных частиц, а следовательно, и ток в газе возрастают.
Изменение величины тока в зависимости от напряжения, приложенного к объему газа, выражается графически в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой (рис. 91). Последняя показывает, что в области слабых электрических полей, когда электрические силы, действующие на заряженные частицы, относительно невелики (область / на графике), ток в газе возрастает пропорционально величине приложенного напряжения. В этой области изменение тока происходит согласно закону Ома.
С дальнейшим ростом напряжения (область II) пропорциональность между током и напряжением нарушается. В этой области ток проводимости не зависит от напряжения. Здесь происходит накопление энергии заряженными частицами газа — электронами и ионами. С дальнейшим же повышением напряжения (область III) скорость заряженных частиц резко возрастает, вследствие чего происходят частые соударения их с нейтральными частицами газа. При этих упругих соударениях электроны и ионы передают часть накопленной ими энергии нейтральным частицам газа В результате электроны отделяются от своих атомов. При этом образуются новые электрически заряженные частицы: свободные электроны и ионы.
Ввиду того что летящие заряженные частицы соударяются с атомами и молекулами газа очень часто, образование новых электрически заряженных частиц происходит весьма интенсивно. Этот процесс называется ударной ионизацией газа. В области ударной ионизации (область III на рис. 91) ток в газе интенсивно возрастает при малейшем повышении напряжения. Процесс ударной ионизации в газообразных диэлектриках сопровождается резким уменьшением величины удельного объемного сопротивления  газа и возрастанием тангенса угла диэлектрических потерь (tg 6).
Естественно, что газообразные диэлектрики могут использоваться при напряжениях, меньших тех значений, при которых возникает процесс ударной ионизации. В этом случае газы являются очень хорошими диэлектриками, у которых удельное объемное сопротивление очень велико (рц— 1020 ом-см), а тангенс угла диэлектрических потерь очень мал (tg б — 10-с). Поэтому газы, в частности воздух, используются в качестве диэлектриков в образцовых конденсаторах, газонаполненных кабелях п высоковольтных выключателях.

§ 45. Пробой газов

Развитие процесса ударной ионизации в газе приводит к пробою данного объема газа (точка П на рис. 91). В момент пробоя газа ток в нем резко возрастает, а напряжение стремится к нулю. Пробой газа происходит в виде искрового разряда, т. е. светящихся помещенных в газовой среде (рис. 92).

Рис. 92. Искровой разряд в воздухе между металлическими шарами диаметром 800 мм
искр, соединяющих поверхности металлических электродов,
Явление пробоя газообразных диэлектриков в однородном * электрическом поле выражается формулой (закон Пашена):
Uпр = A ph.,                                                            (44)
где Уnp — пробивное напряжение слоя газа; р — давление газа; h — расстояние между электродами в газе; А — величина, зависящая от давления газа (Р) и толщины слоя газа (/г).

*      Однородным электрическим полем называется такое поле, во всех точках которого силы электрического поля (напряженности Е) равны между собой, а плотность силовых линий всюду одинакова.

Рис. 94. Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами при давлении 760 мм рт. ст. и 20 С (однородное электрическое поле)

Рис. 93. Зависимость пробивного напряжения газов (амплитудные .значения) от произведения давления р газа па расстояние Л между электродами
Согласно закону Пашена величина пробивного напряжения любого газа пропорциональна произведению давления газа на расстояние между электродами (рис. 93). Таким образом, величина пробивного напряжения газа увеличивается с ростом давления газа и с увеличением толщины слоя газа между электродами (правая часть кривой на рис. 93). С уменьшением же давления и расстояния между электродами пробивное напряжение газа уменьшается, но, пройдя минимум *, начинает снова возрастать в области разреженного газа или в области малых расстояний между электродами (левая часть U-образной кривой на рис. 93). Это понятно, так как в области разреженного газа резко уменьшается количество атомов и молекул газа, являющихся объектами ионизации, а значит, и процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях.
В области очень малых расстояний между электродами (и=0,1 мм и менее) пробой газа также происходит при повышенных значениях пробивного напряжения. Это объясняется сокращением длины пути, на котором заряженные частицы не могут накапливать энергию, необходимую для осуществления процесса ударной ионизации. Чтобы такой процесс происходил, естественно, необходимы более высокие напряжения. Значит, слой газа меньшей толщины обладает более высокой электрической прочностью (Епр), чем слой газа большей толщины. Таким образом, с увеличением толщины слоя газа его электрическая прочность EПр уменьшается (рис. 94). Из приведенного графика видно, что при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и расстоянии между электродами более 1 см электрическая прочность воздуха
С увеличением расстояния между электродами Епр воздуха медленно убывает. То же наблюдается и у других газов.
В табл. 26 приведены значения электрической прочности в однородном поле и другие характеристики газообразных диэлектриков.
При этом все тепловые характеристики воздуха условно приняты за единицу. Из данных, приведенных в таблице, следует, что наибольшей электрической прочностью обладают газы: элегаз (SF6), а наибольшей теплопроводностью и теплоемкостью обладает водород (Н2). Поэтому водород широко используют в качестве охлаждающей среды (вместо .воздуха) в электрических машинах большой мощности (генераторы).
С качественной стороны пробой газообразного диэлектрика протекает по-разному, в зависимости от степени однородности электрического поля в газе. Так, пробой в воздухе при наличии в нем однородного электрического поля происходит сразу в виде искры (рис. 92).
Этот искровой разряд может переходить в электрическую дугу при достаточной мощности источника тока.
Пробой же газа в неоднородном электрическом поле проходит через ряд промежуточных стадий. Вначале наступает неполное электрическое разрушение слоя газа (невидимая корона) у электрода с меньшим радиусом, так как у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности (Е) электрического поля. Затем при напряжении, несколько превышающем напряжение невидимой короны, у поверхности электрода с малым радиусом (острие, провод малого диаметра и др.) в газе возникает коронирующий разряд— видимая электрическая корона (см. рис. 90). Она представляет собой светло-фиолетовое свечение в слое воздуха около электрода с меньшим радиусом. Электрическая корона сопровождается слышимым шипением и образованием в воздухе озона (03) и окислов азота (NO). Эти газы являются активными окислителями металлов и многих электроизоляционных материалов органического происхождения (резины, пластмассы и др.).
Под действием озона и окислов азота большинство органических диэлектриков разрушается.
С дальнейшим повышением напряжения коронирующий разряд переходит в кистевой. При этом в слое газа около электрода (с меньшим радиусом) образуется ряд светящихся веточек-кистей, берущих свое начало у поверхности электрода с меньшим радиусом. Явление кистевого разряда указывает на дальнейшее электрическое разрушение газообразного диэлектрика. По достижении же величины пробивного напряжения (E/пр) от,на из светящихся кистей перерастает в искру. Последняя в момент пробоя перекрывает весь слой газа от одного электрода до другого, т. е. происходит искровой разряд в газе.

Рис. 95. Распределение силовых линий электрического поля между электродами: острие — плоскость
Перечисленные выше невидимая и видимая электрическая корона и кистевой разряд представляют собой формы неполного электрического разрушения газа. Они вызваны неравномерным распределением напряженностей в электрическом поле. Так, у поверхности электрода с меньшим радиусом (острие, провод малого диаметра) в слое газа наблюдаются самые большие напряженности, по мере же удаления от такого электрода величина напряженности уменьшается. Электрическое разрушение газа (невидимая корона) начинается в слое газа, где напряженности электрического поля достигают наибольших значений, т. е. у поверхности электродов с меньшим радиусом. С дальнейшим повышением напряжения ионизация распространяется на слой газа большей толщины.
На практике приходится встречаться главным образом с неоднородными электрическими полями. Такие неоднородные поля наблюдаются между двумя соседними проводами высокого напряжения, а также между проводом и заземленной мачтой — на линиях электропередачи и в других случаях.
Типичными электродами, между которыми исследуются неоднородные электрические поля, являются: острие — плоскость; острие — острие и некоторые другие. Действительно, около острия густота силовых линий очень велика (рис. 95), следовательно, здесь действуют напряженности большой величины, могущие вызвать ударную ионизацию газа у острия. По мере удаления от острия к плоскости густота силовых линий уменьшается, следовательно, напряженности электрического поля тоже уменьшаются. При этом их ионизирующее действие на частицы газа снижается.
Закономерности в отношении пробоя газа между этими типовыми электродами наблюдаются во многих элементах установок высокого напряжения (линии электропередачи, воздушные выключатели и др.). Большое влияние на пробой газа в неоднородном поле оказывает полярность электродов. Для слоя газа одной и той же толщины при положительном острие (игле) и отрицательно заряженной плоскости пробивное напряжение значительно меньше, чем при отрицательном острие (рис. 96). Это объясняется накоплением положительно заряженных ионов около острия и прорастанием их в направлении отрицательно заряженной плоскости (рис. 97). Вследствие этого острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. При этом пробой газа происходит при сравнительно низких напряжениях.

Рис. 96. Зависимость пробивного напряжения воздуха между электродами: острие— плоскость и острие — острие при различных полярностях острия
При отрицательно заряженном острие наблюдается концентрация около него положительно заряженных ионов (рис. 98). Последние, вследствие малой их подвижности, не успевают нейтрализовать свой заряд у поверхности острия и образуют около него положительно заряженное облачко. Оно экранирует отрицательно заряженную иглу и тем самым затрудняет возникновение искрового разряда, начинающегося с отрицательно заряженного острия. В результате итого пробой газа происходит при повышенных величинах пробивного напряжения (см. рис. 96). Пробивные напряжения воздуха между двумя остриями лежат выше, чем в случае острие — плоскость (при положительном острие). Это объясняется несколько меньшей неоднородностью электрического поля между двумя остриями. Чтобы избежать возникновения электрической короны и повысить величину пробивного напряжения газообразного диэлектрика, острые кромки электродов стараются закруглить или закрыть их металлическими колпачками (экранами) большего диаметра.

Рис. 98. Формирование объемного заряда в воздухе при отрицательном острие
Следует заметить, что пробой газа в однородном электрическом поле, как правило, происходит при большей величине напряжения Unp по сравнению с пробоем того же слоя газа в неоднородном электрическом поле. При пробое газов в неоднородных электрических полях заметное влияние на пробой оказывает их влажность.

Рис. 97. Формирование объемного заряда в воздухе при положительном острие
Так при увеличении влажности воздуха его пробивное напряжение (Unр) в неравномерном электрическом поле может повышаться на 8—10%. Запыление воздуха приводит к понижению его электрической прочности.

Рис. 99. Электрический разряд по поверхности штыревого фарфорового изолятора
При пробое газообразных диэлектрик ков в однородном электрическом поле пробивные напряжения на постоянном и переменном напряжении (до частоты 10 000 Гц) не отличаются по величине. При частотах выше 10 000 Гц пробивные напряжения газов уменьшаются, а затем возрастают с дальнейшим ростом частоты приложенного напряжения.

§ 46. Пробой газов на границе с твердыми диэлектриками

Рис. 100. Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в присутствии твердого диэлектрика (переменное напряжение 50 Гц):
1 — пробой воздуха без твердого диэлектрика, 2 — пробой воздуха в присутствии цилиндров из парафина, 3 — пробой воздуха в присутствии цилиндров из фарфора, 4 — пробой воздуха в присутствии цилиндров из фибры (диаметр цилиндров твердых диэлектриков 50 мм)
Выше рассматривались явления пробоя газа при отсутствии в нем твердых диэлектриков. На практике же часто встречаются случаи пробоя газа на границе с твердым диэлектриком. Примером этого является поверхностное перекрытие (искрой) фарфорового изолятора (рис. 99). Оно представляет собой пробой слоя воздуха у поверхности твердого диэлектрика. Во всех случаях пробоя воздуха на границе с твердым диэлектриком величина пробивного напряжения меньше по сравнению с пробивным напряжением для такого же расстояния в газе при отсутствии твердого диэлектрика.
Кривые на рис. 100 показывают зависимость пробивного напряжения воздуха без твердого диэлектрика и в присутствии твердых диэлектриков. В этом опыте твердые диэлектрики представляли собой сплошные цилиндры, которые своими торцовыми поверхностями плотно соприкасались с поверхностью дисковых электродов, расположенных в воздухе (рис. 101),
Понижение пробивного напряжения газа при наличии в нем твердого диэлектрика вызывается искажением однородного электрического поля зарядами на поверхности твердого диэлектрика, которое обусловлено различием диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика и окружающего его воздуха.
Если же твердый диэлектрик в виде тонкого листа расположить между электродами в газе (рис. 102), используя его в качестве барьера, то, естественно, он будет затруднять процесс ударной ионизации газа. Это приведет к повышению пробивного напряжения газового промежутка, особенно в случае резко неравномерных полем между электродами: острие—плоскость и др.

Рис. 102. Расположение тонкого электроизоляционного барьера в резко неоднородном поле в газе (между электродами острие — плоскость)
Рис. 101. Расположение твердого диэлектрика в слое воздуха между металлическими дисковыми электродами:
1—образец твердого диэлектрика в виде сплошного цилиндра, 2-металлические электроды — латунный диски с закругленными краями
Как показывают исследования, наибольший эффект повышения пробивного напряжения воздуха между острием и плоскостью достигается при расположении твердого изоляционного барьера от острия (см. рис. 102) на расстоянии S, равном
(45)
Следует заметить, что электрическая прочность любого из газообразных диэлектриков меньше электрической прочности жидких и твердых диэлектриков. Поэтому расстояния между голыми металлическими частями, находящимися под высоким напряженней в воздухе, всегда выбираются несколько большими по сравнению с расстояниями в жидкой или твердой изоляции.