Лабораторная работа: Определение электрической прочности газообразных диэлектриков
3 Неон
Электрическая прочность газа зависит от его природы, строения его молекулы. Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности, т.е. от давления при t = const : поэтому для расчета пробивного напряжения воздуха применяется формула
U пр U про * δ (3)
где U пр – пробивное напряжение при данной температуре и давлении;
U про – пробивное напряжение при нормальных условиях;
δ – относительная плотность воздуха.
Относительная плотность рассчитывается по формуле:
Р
δ =0,386 --------- (4)
t + 273
где t – температура, о С;
Р – давление, мм. рт. ст.
Из рисунка 3 видно, что пробивное напряжение увеличивается с ростом его давления и с увеличением слоя между электродами. При больших давлениях расстояние между отдельными молекулами становится меньше, уменьшается длина свободного пробега электронов и добавочная энергия заряженных частиц, необходимая для ионизации, может быть получена при увеличении напряженности поля. С уменьшением давления и расстояния между электродами пробивное напряжение уменьшается до минимума (для воздуха U пр =280 В), а затем снова начинает возрастать в области разреженного газа. Это объясняется тем, что в области разреженного газа резко уменьшается количество атомов и молекул, являющихся объектами ионизации, а значит, процесс ударной ионизации происходит при более высоких напряжениях.
Рисунок 4 – Зависимость пробивного напряжения воздуха между острием и плоскостью при различной полярности острия.
В неоднородном поле пробой газа зависит от полярности электродов. При положительно заряженном острие и отрицательно заряженной плоскости пробивное напряжение будет меньше, чем при отрицательно заряженном острие. Расстояние между электродами в обоих случаях остается неизменным.
Такая зависимость объясняется тем, что около острия накапливаются положительно заряженные ионы и распространяются в направлении отрицательно заряженной плоскости. В этом случае, острие как бы прорастает в толщу газа, сокращая путь искровому разряду. Для повышения пробивного напряжения газообразного диэлектрика и во избежание возникновения электрической короны, острые края электродов необходимо закруглить.
Изменение E пр воздуха в однородном поле при изменении расстояния h между электродами показано на рисунке 5
 |
Рисунок 5 – Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле при нормальных условиях ±50 Гц., t = 20о С, р ≈ 0,1 мПа.
При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности воздуха. Это объясняется тем, что развитие процессов ионизации затрудняется из-за малой общей длины свободного пробега электронов. Так как процесс пробоя газа происходит очень быстро, то значение электрической прочности (или пробивного напряжения газового промежутка) при переменном напряжении определяется амплитудным значением:
U пр м = √ 2 U пр.р (5)
где U пр м – амплитудное значение напряжения, В;
U пр.р – действующее значение напряжения, В.
На практике случаются случаи пробоя газа на границе с твердым диэлектриком. Рассматриваемый пример можно представить в виде плоского двухслойного конденсатора с разной толщиной слоя и относительной диэлектрической проницаемостью. Так как газы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость ε и меньшую электрическую прочность, они оказываются в невыгодном положении. Слои диэлектриков с большей диэлектрической проницаемостью ε стремятся разгрузиться и переложить часть электрического напряжения на слои с меньшей ε . Пробивное напряжение воздуха на границе с твердым диэлектриком будет меньше по сравнению с пробивным напряжением для того же расстояния в газе при отсутствии твердого диэлектрика (см. рисунок 6).
Рисунок 6 – Зависимость напряжения перекрытия в
воздухе от расстояния для различных материалов
в сравнении с пробивным напряжением
соответствующего воздушного промежутка.
Однородное поле, f -50 Гц
1- пробой воздушного промежутка
2- парафин
3- фарфор
4- фарфор, стекло при плохом контакте
Так как электрическая прочность воздуха невелика, то для повышения газовой изоляции применяются высокопрочные сжатые газы, например элегаз. Основные характеристики элегаза ( Se F 6 ): плотность – 6700 кг/м3 при t = 0 0 C и p = 0,1 МПа; диэлектрическая проницаемость ε = 1,0021 при p = 0,1 МПа; электрическая прочность E пр = 7,2 МВ/м.
Кроме высокой электрической прочности элегаз обладает более высокой дугогасящей способностью. Благодаря своим свойствам элегаз используется в выключателях, в высоковольтных кабелях, распределительных устройствах.
Описание лабораторной установки
Принципиальная схема лабораторной установки для испытания диэлектриков показана на рисунке 7
