Что такое пробой воздушных промежутков

Пробой воздушного промежутка

Пробой воздушного промежутка является следствием ударной ионизации. Напряженность электрического поля, при которой возникает ударная ионизация, приводящая к образованию электронных лавин, называется начальной напряженностью.

Вследствие различной подвижности электронов и положительных ионов, образующихся под действием ударной ионизации, в промежутке возникает объемный заряд, который искажает электрическое поле. При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к промежутку, происходит пробой, причем на пробивное напряжение существенное влияние оказывает степень неоднородности электрического поля.

В случае электродов, образующих близкое к однородному электрическое поле при небольших разрядных промежутках, возникновение ударной ионизации мгновенно приводит к пробою промежутка, то есть пробой воздуха происходит без развития дополняющих пробой процессов. В таких условиях пробивное напряжение совпадает с начальной напряженностью поля.

Для неоднородного электрического поля характерным является наличие трех стадий развития пробоя воздуха. По сравнению с однородным полем начальное напряжение здесь значительно ниже. В результате ударной ионизации в местах с максимальной напряженностью поля возникает коронный разряд (локальная ионизация), сопровождающийся свечением. С повышением напряжения коронный разряд переходит в кистевой, при котором свечение не концентрируется вокруг электрода, а распространяется в виде отдельных пучков, исходящих из одного электрода, но не доходящих до другого. При дальнейшем увеличении напряжения кистевой разряд замыкает оба электрода. Между электродами образуется искра, свидетельствующая о полном пробое воздушного промежутка. Если мощность источника напряжения достаточна, то искра переходит в электрическую дугу. Развитие указанных выше процессов приводит к заметному снижению пробивного напряжения воздушного промежутка по сравнению с однородным электрическим полем при прочих равных условиях.

Электрическая прочность воздушных промежутков зависит не только от степени неоднородности электрического поля, но и от температуры, давления и влажности воздуха. Например, амплитудное значение пробивного напряжения Uпр воздуха при частоте 50 Гц в однородном поле, МВ, определяется по эмпирической формуле:

Наибольшая степень неоднородности электрического поля присуща системам стержень – плоскость и стержень – стержень.

Электрический пробой

В воздухе при атмосферном давлении необходимо напряжение в 30 тыс. в, чтобы пробить зазор в 1 см между шарами с радиусом также в 1 см. Раздвинем шары. Придется приложить более высокое напряжение, чтобы пробить воздушный промежуток.

Невольно напрашивается аналогия из механики. В стальной баллон накачивается воздух. Он давит на стенки. При очень высоком давлении они в конце концов могут разорваться. Чем толще стенки, тем более высокое давление выдерживает баллон. При электрическом пробое кажется естественным, что больший слой воздуха выдерживает большее напряжение.

Вместо того чтобы увеличивать расстояние между электродами, можно увеличить плотность окружающего их воздуха, поместить электроды в сжатый газ. Это также увеличит пробивное напряжение.

В двигателях внутреннего сгорания смесь поджигается электрической искрой. В цилиндр двигателя ввинчивается «свеча» с двумя никелевыми электродами на расстоянии около миллиметра один от другого. При атмосферном давлении этот зазор между электродами пробивается при 3—5 кв. А когда смесь в цилиндре сжата, требуется напряжение, в несколько раз большее.

Иная зависимость пробивного напряжения от давления и зазора в электровакуумных приборах. В тиратронах, например, уменьшают зазор между сеткой и анодом, чтобы увеличить пробивное напряжение. В тиратронах уменьшение расстояния увеличивает электрическую прочность прибора.

Пробой газового промежутка развивается так: в зазоре между электродами всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Когда к электродам прикладывается напряжение, то электроны начинают двигаться к положительному электроду. На своем пути эти электроны могут встречать нейтральные молекулы газа. Расстояние между двумя такими встречами, двумя соударениями называется свободным пробегом электрона. Свободный пробег зависит от плотности газа. При атмосферном давлении свободный пробег — это ничтожные доли миллиметра. А при высоком разрежении свободный пробег достигает нескольких сантиметров.

Если электрон ударяется о нейтральную молекулу с достаточно большой скоростью, он разбивает ее — вырывает из нее один или даже несколько электронов. Эти электроны совместно с начальными движутся также к положительному электроду. На пути они могут встретить еще нейтральные молекулы, вырвать из них еще новые электроны. Когда напряжение между электродами достаточно велико, то возникает электронная лавина. Небольшое начальное количество электронов в результате многочисленных столкновений возрастает, как снежный ком, катящийся с горы.

Возникновение электронной лавины — это и есть пр’обой. Когда плотность газа велика, то электрон на пробеге между двумя соударениями может накопить достаточно энергии, чтобы выбить из молекулы новый электрон лишь при высоком напряжении между электродами. Чем больше плотность газа, тем выше напряжение, при котором может образоваться электронная лавина и произойдет пробой.

Если же плотность газа мала, свободный пробег электронов велик, то большое их число будет пролетать между электродами, вообще не встречая молекул газа и не выбивая новых электронов.

В этом случае чем меньше плотность газа или чем меньше расстояние между электродами, тем большее напряжение необходимо, чтобы вызвать лавину электронов, произвести пробой.

На фиг. 7-22 приведена примерная кривая зависимости пробивного напряжения от произведения плотности газа на зазор между электродами.

Фиг. 7-22. Зависимость пробивного напряжения между ‘двумя электродами от произведения плотности р газа, окружающего электроды, на расстояние d между электродами.

Наименьшее пробивное напряжение получается, когда свободный пробег электрона имеет величину одного порядка с расстоянием между электродами. Пробивное напряжение возрастает в обоих случаях: и когда свободный пробег электрона значительно меньше расстояния между электродами (область высоких давлений) и когда свободный пробег электрона значительно больше расстояния между электродами (область низких давлений).

Наименьшее напряжение требуется для пробоя, когда расстояние между электродами одного порядка со свободным пробегом электрона. В электрических цепях часто применяются разрядники. Они действуют как предохранительные клапаны. Их назначение быть самым слабым местом в электрической цепи. В разрядниках так подбирают конструктивные размеры, что они соответствуют минимуму кривой пробоя.

При атмосферном давлении, чтобы получить малое пробивное напряжение, надо давать зазор между электродами разрядника несколько микрон. Удобнее поместить электроды разрядника в колбу с пониженным дав лением. Тогда минимальное пробивное напряжение соответствует зазору в несколько миллиметров.

Минимальное пробивное напряжение может быть 100—200 в. Если уменьшить плотность газа, окружающего электроды, величина пробивного напряжения возрастет. В газотронах (фиг. 2-4) расстояние между катодом и анодом такое же, как и в разрядниках, но в разрядниках давление газа в баллоне — несколько миллиметров ртутного столба, а в газотронах давление равно всего лишь нескольким десятитысячным миллиметра ртутного столба. Пробивное напряжение газотрона около 20 000 в. При еще большем разрежении между электродами пробивное напряжение возрастает до нескольких сотен тысяч вольт.

Плоскогорье вместо вершины

Бывает, что точка максимума выражена неотчетливо.

При индукционном нагреве в плавильной печи (фиг.

7- 9), или для поверхностной закалки (о закалке будет рассказано в последующих разделах) важно получить высокий к. п. д. Переменный ток, циркулирующий в индукторе, создает вокруг его проводников быстропеременный электромагнитный поток. Этот поток пронизывает помещенное в индуктор изделие, возбуждает в изделии вихревые токи. Отношение мощности, выделяемой в изделии вихревыми -токами, ко всей мощности, подводимой к индуктору,— это и есть интересующий нас электрический к. п. д. индуктора.

При низкой частоте тока в индукторе изделие, как уже говорилось, прозрачно для магнитного потока. Вихревые токи в изделии слабы, мощность, ими выделяемая, ничтожна по сравнению с потерями в индукторе. С повышением частоты тока в индукторе мощность в изделии растет сначала как квадрат частоты. Быстро растет к. п. д. Но затем рост к. п. д. замедляется. Вихревой ток в изделии не может быть интенсивнее, нежели породивший его ток индуктора. Коэффициент полезного действия приближается к некоторому предельному значению. Эго предельное значение к. п. д. η„ зависит от сопротивления материала индуктора рь сопротивления материала нагреваемого изделия рв и от соотношения поверхностей, омываемых быстропеременным магнитным потоком в индукторе St и изделии Sa.

Можно повысить частоту тока в 10 или даже в. 100 раз, но к. п. д. никогда не достигнет значения η0 При еще большем повышении частоты к. п. д. может начать падать из-за того, что индуктор станет излучать электромагнитную энергию во все стороны, как антенна широковещательной радиостанции, и появятся большие потери в окружающих индуктор предметах. Но до этого предела обычно никогда не доходят по ряду других причин.

Фиг. 7·23. Коэффициент полезного действия индуктора, нагревающего шар, в зависимости от частоты тока. Размеры шара и индуктора показаны в верхнем леЕсм углу рисунка.

Кривая « — Шар из магнитной стали (у;ельное электросопротивление р ■» 1C·’ ом. см и магнитная пронииаемость μ ■» 100); γ— сталь немагнитная (нагретая вьше 7oSe С); р — ΙΟ-4, μ — 1; С — графит: р — 5·10-5, μ — 1; Си — медь: р—1,7*10·*, μ-1*

На фиг. 7-23 представлен ход кривых к. п. д. для случая нагрева шаров диаметром 50 мм из разных материалов, помещаемых внутрь индуктора в виде цилиндрической спирали с высотой и диаметром, равным 100 мм (кривые построены на основе расчетов, проведенных мною перед войной на ).

Как здесь определить наивыгоднейшую частоту? Точки максимума на этих кривых нет. После крутого подъема идет перегиб, а затем почти горизонтальный участок.

Прежде всего надо указать, что нагревательный индуктор — это лишь одно звено установки высокочастотного нагрева. С индуктором всегда соединена (непосредственно или через трансформатор) конденсаторная батарея. И стоимость этой батареи, и потери в ней зависят от частоты. При одной и той же передаваемой полезной мощности затраты на батарею конденсаторов для разных частот могут отличаться в несколько раз.

От частоты тока зависит и тип генератора. Если частота тока выше 10 000 гц, то целесообразно применять только генераторы с электронными лампами. Потери энергии в этих лампах могут превышать 20% от преобразуемой мощности. При более низких частотах можно применять и машинные генераторы, и генераторы с ионными лампами, в которых потери меньше 10%. Может оказаться выгодным несколько пожертвовать к. п. д. индуктора, но зато выиграть на к. п. д. генератора.

Можно построить кривую полного к. п. д. и полных эксплоатационных расходов нагревательной установки в зависимости от частоты тока. Но и эта кривая большей частью не имеет вида острого пика, а напоминает собой плоскогорье.

Но здесь электрик должен прислушаться к голосу металлурга и машиностроителя. При высокочастотном нагреве металлов энергетика — только служанка технологии. Основное назначение нагревательной установки — это не экономить энергию, а давать продукцию высшего качества. При поверхностной закалке часто приходится выбирать частоту, значительно более высокую, чем это нужно по соображениям к. п. д. Так бывает при нагреве изделий сложной формы. Только высокочастотный ток может обойти ‘по всем выступам и впадинам изделия. Иногда же, наоборот, выбирают явно заниженную с точки зрения электрика частоту, для того чтобы получить прогрев сразу в толстом слое и узкую переходную зону между нагретым и сердцевинным металлом.

Поэтому на кривой зависимости к. п. д. нагревательного индуктора от частоты тока надо иметь только какую-то опорную точку. Точку, ниже которой к. п. д. растет быстро, а выше — медленно. Но это не такая определенная вещь, как точка максимума или минимума, которая определяется математически совершенно однозначно. Точка перехода от крутого склона к пологой части (колено на кривой) это понятие условное.

В моей книге «Индукционный нагрев металлов» я так определил минимально допустимую частоту тока, или, что одно и то же, максимальную допустимую длину волны:

«При нагреве цилиндра. или шара из немагнитного материала надо, чтобы длина электромагнитной волны в этом цилиндре или шаре была меньше его радиуса. Коэффициент полезного действия сильно ухудшается, если ток имеет более низкую частоту и, следовательно, более длинную волну. При нагреве шара из магнитного материала колено кривой к. п. д. соответствует волне, которая в магнитную проницаемость ( μ) раз меньше радиуса шара. Когда нагревается не шаровое и не цилиндрическое изделие, а плоская плита, то желательно, чтобы ширина индуктора была больше длины волны».

Разные авторы неоднократно предлагали иные формулировки дляграницы «достаточного электрического к. п. д.». Одни писали, что волна должна в полтора, два раза быть меньше радиуса нагреваемого цилиндра, а другие, наоборот, считали, что достаточно иметь волну, равную трем четвертям от радиуса.

Мне приходилось слышать споры: «Ваш критерий не точен, а вот формула такого-то дает прекрасные [результаты». Другие, наоборот, хвалили мое определение. Кто же прав? Да никто. Определение «достаточного электрического к. п. д.»—это не формула и не критерий, это скорее мнемоническое правило. Никакой особой точки на колене не существует. Это правило только указывает «быстро» или «медленно» растет к. п. д. на данном участке кривой. А конкретные значения этого к. п. д. надо получать полным расчетом.

И в других областях электротехники приходится сталкиваться с кривыми, не имеющими максимума. Кривая намагничения стали идет сначала круто, а затем переходит в пологий участок. Где здесь точка насыщения? При каком значении индукции происходит перегиб в кривой? И здесь нельзя дать точною однозначного указания, а можно лишь отметить некоторую область магнитных индукций. Ниже нет насыщения, выше оно есть.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Tweet Нравится

Предыдущая запись: Синхронное движение в электротехнике
Следующая запись: Избирательная защита в электротехнике

Физическая природа пробоя

Различают четыре основных вида пробоя диэлектриков:

Электрический пробой.

2. Электротепловой пробой.

3. Электрохимический пробой.

4. Ионизационный пробой.

Электрический пробой. Этот вид пробоя вызывается ударной ионизацией электронами и протекает практически мгновенно в течение 10-8 – 10-5 с. В процессе электрического пробоя диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, молекул или ионов. В случае электрического пробоя электрическая прочность Епр газообразного диэлектрика (воздуха) при нормальных условиях достигает значения Епр = 3МВ/м (амплитудное значение для U~ , h=1 см)

Электротепловой (тепловой) пробой обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь или электропроводности. Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Время развития и величина Uпр теплового пробоя зависят от конструкции электроизоляционного изделия и условий отвода выделяющейся в диэлектрике теплоты в окружающую среду. Тепловой пробой развивается в течение 10-3 – 10-2 с., он во много раз медленнее электрического.

При электротепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения (при возрастании частоты Uпр уменьшается) и от температуры окружающей среды (начальной работы температуры диэлектрика), уменьшаясь при ее возрастании.

Переход из области чисто электрического пробоя в область электротеплового пробоя зависит от следующих факторов:

— возрастание начальной температуры;

— переход от постоянного напряжения к переменному с дальнейшим повышением частоты;

— ухудшение условий охлаждения.

Электрохимический пробой (электрическое старение). Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля. Время развития электрохимического пробоя составляет 103 – 108 с. и называется временем жизни диэлектрика tж. Время жизни зависит от напряжения и температуры: с увеличением напряжения или температуры tж, как правило, уменьшается.

Ионизационный пробой обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике и объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика. Он характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях электрического в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование ионов и выделение тепла. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению Епр.