_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Лекция 3. 1.2.Виды ионизации в газе 1.2.1.Ударная ионизация Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая со скоростью v, столкнется с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если выполнено неравенство  (1), где WИ – энергия ионизации; 1.2.2. Фотоионизация в объеме газа Вторым важным источником образования свободных электронов является фотоионизация, т. е. ионизация газа под действием коротковолнового излучения. Для того чтобы воздействие на газ излучения с частотой  (длиной волны  , с — скорость света) привело к ионизации газа, необходимо выполнить условие (2), гдеh=6.5•10-27 эрг.сек – квантовая постоянная Мощным источником фотоионизации является газовый разряд. Переход возбужденных молекул и ионов в нормальное состояние, процесс рекомбинации, приводят к появлению большого количества фотонов, значительная часть которых обладает энергией, превышающей энергию ионизации газа. 1.2.3. Термическая ионизация Под термической ионизацией понимаются все процессы ионизации, обусловленные тепловым состоянием газа. При высокой температуре имеются следующие возможности ионизации: а) ионизация при соударениях между молекулами газа, которые при высоких температурах двигаются с большими скоростями; б) фотоионизация за счет теплового излучения нагретого газа; в) ионизация при соударениях молекул с электронами, образовавшимися в результате первых двух процессов. 1.2.4.Ионизация на поверхности электродов До сих пор мы связывали появление в газе свободных электронов и ионов с процессами объемной ионизации, т. е. с ионизацией самого газа находящегося в пространстве между электродами. Между тем электроны в газе могут появляться и путем эмиссии с катода. Освобождение электрона из толщи металла также требует совершения определенной работы, называемой энергия выхода, которая у разных металлов различна и зависит от состояния их поверхности. В табл.3 приведены значения энергии выхода для некоторых чистых металлов и окислов. Энергия, необходимая электрону для выхода из металла, может сообщаться ему различными способами. Таблица 3 Энергия выхода электронов из различных металлов
Нагреванием катода, которое сопровождается увеличением скорости электронов. Если при этом кинетическая энергия электрона превысит энергию выхода, он может перескочить через потенциальный барьер и покинуть пределы электрода (термоэлектронная эмиссия). Бомбардировкой поверхности металла какими-либо частицами (например, положительными ионами), обладающими достаточной энергией. Облучением поверхности металла коротковолновым излучением, обладающим достаточно малой длиной волны (фотоэффект). Наложением сильного внешнего поля (холодная эмиссия). Первый способ поверхностной ионизации имеет решающее значение в электронных приборах, в которых катод нагревается специально для освобождения большого числа электронов. В изоляционных конструкциях в начальных стадиях разряда этот процесс не имеет места, но в дуговом разряде в месте соприкосновения с дугой катод нагревается до температуры в несколько тысяч градусов и термоэлектронная эмиссия приобретает важное значение снабжения канала дуги свободными электронами. Для осуществления поверхностной ионизации внешнее поле должно иметь очень большую величину порядка 1 000 кВ/см, что в промышленных изоляционных конструкциях бывает крайне редко. Поэтому в газовых промежутках, с которыми приходится иметь дело в технике высоких напряжений, основное значение имеет бомбардировка поверхности металла частицами и облучение ее коротковолновым излучением. При этом следует иметь в виду, что наличие внешнего поля, напряженность которого недостаточна для осуществления холодной эмиссии, несколько уменьшает энергию выхода электрона из металла и тем самым способствует осуществлению других видов ионизации на поверхности. 1.2.5. Лавина электронов Рассмотрим газовый промежуток между двумя электродами и допустим, что вблизи катода этого промежутка появился один электрон. Если напряженность поля у катода достаточно велика, то, летя к аноду, электрон будет осуществлять ударную ионизацию. Первое ионизирующее столкновение c молекулой газа приведет к образованию еще одного электрона, который также будет ионизировать. Поэтому при следующем ионизирующем столкновении число электронов увеличится до четырех, затем до восьми и далее будет расти в геометрической прогрессии. Такой постепенно усиливающийся поток электронов получил название лавины. Двигающиеся электроны оставляют позади себя положительные ионы, которые перемещаются к катоду приблизительно в 100 раз медленнее, чем электроны летят к аноду (при разрядных напряженностях поля скорость электронов при атмосферном давлении имеет порядок 2•107 см/сек, а скорость положительных ионов около 2•105 см/сек). Лекция 4. 1.3.Разряд в однородном поле. Закон ПАШЕНА. 1.3.1. Формирование разряда. Условие самостоятельности Возникновение лавины и даже пересечение ею всего расстояния между электродами еще не означает пробоя промежутка и превращения разряда в самостоятельный. Действительно, канал лавины заполнен положительными ионами и, хотя движение этих ионов к катоду и создает в промежутке ток, этот ток прекращается после ухода на катод всех ионов. Для возобновления ионизации необходимо образование нового электрона, и если этот новый электрон может быть создан только внешним ионизатором, разряд остается несамостоятельным и сопровождается прохождением в промежутке отдельных импульсов тока, частота повторения которых зависит только от интенсивности внешнего ионизатора. Для превращения разряда в самостоятельный необходимо образование новых электронов (их обычно называют вторичными) за счет процессов, происходящих в самом промежутке, и еще до того, как первая лавина полностью прекратила свое существование. Развитие первой лавины создает для этого благоприятные условия. Вторичные электроны могут создаваться под действием: а) бомбардировки катода созданными лавиной положительными ионами; б) фотоионизации на катоде, осуществляемой излучением начальной лавины; в) фотоионизации в объеме за счет излучения начальной лавины. При различных давлениях газа удельный вес этих процессов будет различным. Ионизация на поверхности катода положительными ионами происходит довольно интенсивно. В среднем один электрон выбивается с поверхности после удара нескольких десятков ионов. Но при атмосферном давлении этот процесс является весьма медленным. Так как большая часть ионов сосредоточена в головке лавины, для осуществления ионизации на катоде они должны пересечь практически весь промежуток между электродами. Даже при небольшом расстоянии между электродами s= 1 см, на это требуется время порядка 5 мксек. При уменьшении давления скорость ионов пропорционально, увеличивается (если напряженность поля сохраняется неизменной) и поэтому для ионизации на катоде требуется меньшее время. Фотоионизация на катоде для своего развития не требует такого большого времени, так как фотоны распространяются со скоростью света.   Рис.2. Развитие разряда в однородном поле при напряжении выше начального. Рис.1. Возникновение и развитие анодного стримера. 1 — начальная лавина; 2 — вторичные лавины; 3 — скопление положительных зарядов на головке стримера; 4 — анодный стример. Образованные этими фотонами вторичные электроны дадут начало новым лавинам, электроны которых будут притягиваться объемным положительным зарядом, расположенным в головке начальной лавины (рис.1,а). В пространстве, заполненном объемными зарядами, средняя напряженность поля невелика, поэтому большое количество проникших туда электронов превращается в отрицательные ионы, и в месте расположения положительного объемного заряда образуется канал, заполненный плазмой— так называемый стример (рис1,б). Канал стримера является проводящим, плазма обладает тем большей проводимостью, чем больше ионов содержится в единице ее объема), поэтому на его конце создается повышенная напряженность поля. Между тем продолжающаяся фотоионизация в объеме приводит к образованию все новых лавин, которые двигаются в направлении наиболее сильного поля, т. е. к головке стримера. Электроны этих лавин уходят в канал стримера, а ионы создают вблизи его головки объемный положительный заряд, который притягивает последующие лавины, превращающие его в плазму (рис.1,б и в). Таким образом, канал стримера постепенно удлиняется, прорастая к катоду, причем этот процесс идет со все возрастающей скоростью, так как напряженность поля на головке стримера по мере его продвижения в глубь промежутка непрерывно увеличивается. После пересечения стримером всего пространства между электродами пробой можно считать завершенным, так как в промежутке образовался сквозной проводящий канал, заполненный плазмой (рис.1,г). Если напряженность поля между электродами увеличить, то достаточное для возникновения фотоионизации в объеме искажение поля наступает еще до того, как начальная лавина пересечет весь промежуток между электродами (ХК Очевидно, что при минимальном напряжении, при котором еще возможен пробой промежутка, начальная лавина успевает пересечь все пространство между электродами. Для того чтобы при этом возникла достаточно интенсивная фотоионизация в объеме, необходима определенная степень искажения внешнего поля, т. е. определенная величина заряда начальной лавины. Заряд начальной лавины пропорционален числу электронов в ее головке, т. е. величине  . Поэтому условие образования стримера, а следовательно, и условие пробоя в однородном поле можно записать следующим образом:  Лекция 5. 1.3.2. Разрядное напряжение. Закон ПАШЕНА Для определения разрядного напряжения используем полученное условие самостоятельности разряда,  аналитическое выражение для коэффициента объемной ионизации электронами  и связь между электронами  . Из этих трёх соотношений нетрудно получить: или  (5)  Рис. 3 Зависимость разрядного напряжения, в однородном поле от произведения рs для некоторых газов. Полученное выражение имеет принципиально важное значение. Прежде всего следует отметить, что давление и расстояние входят в (5) только в виде произведения. Это обстоятельство является математическим выражением установленного экспериментально закона Пашена, который гласит: При неизменной температуре разрядное напряжение в однородном поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами. В общем виде закон Пашена может быть записан следующим образом:  (6)Опытные зависимости разрядного напряжения от рs для различных газов приведены на рис. 3. Как видно, при уменьшении рs разрядное напряжение сначала уменьшается, проходит через минимум, а затем снова возрастает. Для воздуха минимум наступает при (ps)0=0,57 см•мм рт. ст., что при расстоянии s = 1 см соответствует давлению 0,57 мм рт. ст., т. е. значительно ниже атмосферного. При таких низких давлениях, как указывалось выше, основную роль играют процессы на катоде, и постоянные формулы 5 имеют следующие приближенные значения А = 14,6  , В= 365  ,  .1.4.Разряж в неоднородном поле 1.4.1.Слабонеоднородные и резконеоднородные поля Характерной особенностью неоднородного поля является неравномерное распределение напряженности в пространстве между электродами. Если электроды имеют одинаковую форму, то на поверхности электродов напряженность , поля имеет максимальное значение, а в середине промежутка — минимальное. При разной форме электродов наибольшую величину напряженность поля имеет на поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны, а область минимальной напряженности смещается, к противоположному электроду. Степень неоднородности поля можно характеризовать отношением максимальной напряженности поля Ем к средней  . Для однородного поля коэффициент  равен единице, а в неоднородных полях он увеличивается при увеличении расстояния между электродами и уменьшении их радиуса кривизны.В промежутке с неоднородным полем возможны три основных случая возникновения самостоятельного разряда: 1. Начальная лавина пересекает весь промежуток и после этого образуется анодный стример (как в однородном поле). Такие условия имеют место, например, в промежутке между двумя шарами при s s 2. Начальная лавина пересекает только часть промежутка, но после образования стримера напряженность поля в оставшейся непробитой части промежутка обеспечивает распространение этого стримера вплоть до противоположного электрода. 3.Начальная лавина пересекает незначительную часть всего промежутка, и образовавшиеся стримеры не могут распространиться до противоположного электрода. Самостоятельный разряд, который охватывает только часть промежутка, прилегающую к электроду с малым радиусом кривизны, называется коронным разрядом. Поскольку часть пространства остается неионизированной, между электродами не возникает сплошной проводящий путь и ток в промежутке не может достигнуть таких больших величин, как при полном пробое. Для осуществления полного пробоя промежутка в этом случае необходимо напряжение между электродами поднять значительно выше напряжения зажигания самостоятельного разряда. Поля, соответствующие первым двум случаям разряда, принято называть слабо неоднородными. В слабо неоднородных полях корона не возникает и выполнение условий самостоятельности разряда всегда приводит к полному пробою промежутка. Третий случай соответствует резко неоднородным полям, в которых пробивное напряжение может быть значительно больше напряжения появления короны, и сильно сказывается влияние полярности электродов. Установить четкую границу между этими двумя видами неоднородных полей трудно. Можно принять, что для слабонеоднородных полей коэффициент неоднородности k<2, а характерные особенности развития разряда в резко неоднородных полях начинают четко проявляться при k>4. Лекция 6. 1.4.2.Условие самостоятельности разряда в слабо неоднородном поле. Закон подобия разрядов. В слабонеоднородных полях возникновение стримера обеспечивает полный пробой промежутка. Поэтому условие образования стримера (условие самостоятельности), так же как и в однородном поле, одновременно является и условием пробоя. Так как в неоднородном поле коэффициент ударной ионизации а изменяется вдоль силовых линий, то условием самостоятельности разряда будет:  , (6)где интегрирование ведется вдоль наиболее короткой силовой линии от одного электрода до другого, Получить для неоднородного поля аналитическую формулу разрядного напряжения можно только в немногих частных случаях, поэтому ограничимся установлением общей закономерности, являющейся обобщением закона Пашена для случая неоднородного поля. Эта зависимость носит название закона подобия разрядов и может быть сформулирована следующим образом: В слабонеоднородном поле разрядное напряжение является функцией произведения относительной плотности воздуха на расстояние между электродами (или другой геометрический размер) и отношения к расстоянию (или к этому геометрическому размеру) всех остальных определяющих геометрических размеров промежутка:  (7)Если, изменяя расстояние между электродами, одновременно изменять и размеры самих электродов таким образом, чтобы отношение основных размеров, определяющих конфигурацию поля, оставалось постоянным, т. е. использовать геометрически подобные промежутки, то разрядное напряжение будет функцией только  . Следовательно, если в геометрически подобных промежутках при неизменной температуре изменять давление обратно пропорционально изменению геометрических размеров, то разрядное напряжение останется постоянным. Закон подобия разрядов показывает, что, как и в однородном поле, эффективным средством увеличения электрической прочности промежутка со слабонеоднородным полем является повышение давления газа. |