ТВН ШПОРА ЭКЗАМЕН. Особенности внешней и внутренней изоляции. Внешняя

• Название: Особенности внешней и внутренней изоляции. Внешняя
• Дата: 31.01.2023
• Размер: 3.06 Mb.
• Имя файла: ТВН ШПОРА ЭКЗАМЕН.docx
• Тип: Документы; #914949
• страница: 1 из 3

1. 
   Особенности внешней и внутренней изоляции.
   

Внешняя- воздух и все, что находится в воздухе (внешние поверхности изоляторов, промежуток между контактами разъединителей)

Особенности:

1. 
   Электрическая прочность зависит от погодных условий и загрязнений
   
2. 
   Самовосстанавливается, после снятия напряжения и погасания дуги
   
3. 
   Не подвержена старению.
   

Внутренняя изоляция- состоит из твёрдых, жидких и газообразных диэлектриков

Особенности:

1. 
   Электрическая прочность не зависит от погодных условий
   
2. 
   Твердая изоляция не самовосстанавливается после пробоя, жидкая и газообразная восстанавливается, но пробой ухудшает свойства.
   
3. 
   Подвержена старению.
   

2. 
   Виды ионизации газов. Лавина электронов. Стримерная теория разряда.
   

Ионизация – образование ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов (наоборот- рекомбинация).

Объемная- процесс образования объемных частиц во всем объеме газа, между электродами.

Делят на:

1. 
   Ударная ионизация- образования заряженных частиц путем соударения электронов с элементарными молекулами. Условие ионизации:
   

W_И — энергия ионизации, эВ.

2. 
   Ступенчатая.
   
3. 
   Фотоионизация. Условие: hν ≥ W_И, h — постоянная Планка, ν — собственная частота фотона.
   

4. 
   Термоионизация- нагрев газа, молекулы сталкиваются, ионизируются
   

Поверхностная- излучения (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов. Энергия воздействия больше Wвых.

Ионизация ионов

Фотоионизация

Термоионизация

Автоэлектронная эмиссия, Е>300 кВ/см

Лавина электронов- процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду.

Коэффициент Таунсенда - число ионизаций производимых электроном на пути в 1 см.



Число электронов в лавине:

Предположим, что из катода за счет внешнего ионизатора вырывается n₀ электронов (например n₀ = 1). На расстоянии x от катода число электронов возросло до n. Увеличение числа электронов dn на пути dx будет равно:

dn = n⋅α⋅dx , или dn /n= α⋅dx. Интегрируя, получим:



В однородном поле, где коэффициент ударной ионизаци α = const:

lnn =α⋅x , или

С учетом прилипания к нейтральным атомам и молекулам. Коэффициент прилипания зависит от рода газа (электроотрицательный или электроположительный):

Стримерная теория разряда

В процессе развития лавины увеличивается число электронов и положительных ионов. С увеличением числа электронов в головке лавины возрастает напряженность на фронте лавины. На хвосте лавины напряженность понижена. Электроны в головке лавины останавливаются и могут рекомбинировать с ионами. При рекомбинации излучаются фотоны,  они вблизи хвоста 1чной лавины ионизируют нейтральные молекулывторичные лавины. Вторичные лавины, следуя по силовым линиям и имея на головке избыточный отрицательный заряд (электроны), втягиваются в область положительного объемного заряда, оставленного первичной лавиной. Электроны вторичных лавин смешиваются с положительными ионами первичной лавины и образуют стример — область с наибольшей плотностью тока, которая, разогреваясь начинает светиться, а наибольшая плотность тока образуется вблизи катода.

При числе электронов n_кр ≥10⁷-10¹⁰ лавина переходит в стример. Для накопления такого количества электронов лавина должна пройти определенное критическое расстояние x_кр. Следовательно, с увеличением расстояния между электродами свыше x_кр лавина неизбежно перейдет в стример.

3.Условие самостоятельности разряда в однородном поле

После прохождения первой лавины в промежутке лавинный процесс может возобновляться, а может и затухнуть. Для возобновления лавинного процесса нужен хотя бы один вторичный эффективный электрон. Если этот электрон получается в результате внешнего ионизатора — разряд называется несамостоятельным. Наоборот - самостоятельным. Разряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, если увеличить приложенное к электродам напряжение. При самостоятельной форме разряда лавинный процесс возобновляется, поскольку сама первичная лавина (и последующие вторичные тоже) создает условие для возобновления процесса. Условия возобновления:

1) оставшееся после прохождения лавины положительные ионы, двигаясь к катоду, бомбардируют его и вызывают эмиссию электронов из катода;

2) возбужденные атомы и молекулы, образующиеся наряду с ионизацией, испускают фотоны, которые могут приводить как к фотоионизации в объеме промежутка, так и к фотоэмиссии электронов из катода. Образующиеся таким образом вторичные электроны приводят снова к образованию лавин в разрядном промежутке. Количество положительных ионов, оставшихся в промежутке после прохождения лавины, равно количеству электронов в лавине исключая начальный электрон:



Электроны, выбитые из катода, не все участвуют в образовании вторичных лавин. Часть электронов рекомбинирует с положительными ионами. Суммарный процесс образования вторичных электронов из катода характеризуется коэффициентом вторичной ионизации γ — второй коэффициент Таунсенда. Коэффициент γ зависит от материала катода, состава и давления газа и всегда γ << 1. Количество вторичных электронов, образованных после прохождения первичной лавины при самостоятельной форме разряда, должно быть не менее:



Уравнение (1.18) есть условие самостоятельности развития разряда в газовом промежутке. Оно показывает, что в результате про- хождения первичной лавины необходимо образование, как минимум, одного эффективного электрона, способного зажечь вторичную лавину.

4. Пробивное напряжение газа в однородном поле. Закон Пашена

Выполнение условия самостоятельности разряда в однородном поле означает пробой всего промежутка

Закон Пашена: при неизменной температуре пробивное напряжение газа в однородном поле является функцией произведения давления на расстояние между электродами.



При S=const увеличение давления больше значения, соответствующего минимуму, приводит к увеличению числа столкновений электронов с нейтральными атомами и молекулами и, как следствие, к уменьшению его энергии накапливаемой на длине свободного пробега. Следовательно, для возникновения ударной ионизации необходимо увеличение напряжения U_ПР. С другой стороны, при давлениях меньших, чем соответствующее минимуму значения, увеличивается длина свободного пробега и накапливаемая электроном энергия, но уменьшается количество столкновений, что уменьшает вероятность ударной ионизации. Для ее увеличения необходимо, чтобы как можно большее число столкновений заканчивалось ионизацией. Для этого необходимо увеличивать энергию электрона на длине свободного пробега, т. е. увеличивать U_ПР.



В области очень малых значений PS отличие объясняется приближением к вакуумному пробою, при котором основную роль играют процесс на поверхности электродов, а не в объеме газа. При больших значениях PS отличие объясняется увеличением напряженности электрического поля на микровыступах электродов и увеличением вероятности возникновения лавин, что снижает U_ПР.На основании закона Пашена могут быть предложены способы повышения пробивного напряжения газов:

1) увеличение давления больше атмосферного;

2) уменьшение давления до значений меньших, чем давление соответствующее минимуму, вплоть до вакуума.
5. Развитие разряда в неоднородном поле

Напряженность в различных точках промежутка разная по величине или направлению (стержень-стержень, стержень - плоскость, провод – земля)

Коронный разряд – самостоятельный разряд, при К_н> 4, ионизация только в узкой области вблизи электрода.

Лавинный – развиваются только электронные лавины.

Стримерный – кроме электронных лавин, стримерные каналы.



При увеличении напряжения свыше U_н , когда количество электронов в лавине возрастает до 10 7 — 10 9 , она переходит в плазменное состояние и в промежутке возникает стример у электрода с повышенной напряженностью поля. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, то в резко неоднородном поле в зависимости от величины напряжения стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадается, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается. Такое состояние разряда устойчивое, т.к. при этом выполняется условие самостоятельности разряда. Этот случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме.

Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую дугу, что означает завершение пробоя. В резко неоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.

6. Влияние полярности электродов на пробивное напряжение, влияние барьера на пробивное напряжение

Пробивное напряжение-это напряжение, при котором происходит потеря электрической прочности промежутка.

Начальное напряжение (U₀)-минимальное напряжение, при котором выполняется условие самостоятельности разряда.

Пробой промежутка в однородном поле происходит при начальном напряжении. Для резконеоднородного поля пробой происходит при U U₀ .



При увеличении U U₀- график смещается.

Е₁(х)- напряженность при U₀

Е₂(х)- напряженность при U U₀

Е_л(х)- напряженность от зарядов единичной лавины.

При положительной полярности, когда лавина пересекает весь промежуток образуется объемный заряд, который расположен около стержня.

При отрицательной полярности заряд лавины имеет как отрицательную, так и положительную зону плоскости.

Е_рез- результирующая напряженность в головной части лавины.

Т.о.Е⁽⁺⁾_рез  Е^(-)_рез  при отрицательной полярности стержня для формирования стримера и пробоя необходимо повышать напряжение, поскольку формирование стримера затруднено. Т.е. электроны начальной лавины перемещаются из области сильного поля в область слабого.

В слабо неравномерных полях, где минимальный и средний градиенты напряжения мало отличаются друг от друга, коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико. В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах существенно влияет на величину разрядного напряжения. В промежутке острие-плоскость формирование разряда зависит от полярности острия.

При положительной полярности острия, имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем. Взаимодействуя с внешним полем в промежутке, положительный объемный заряд ослабляет поле вблизи острия и усиливает его в остальной части промежутка (рис. 1.10, а). Если напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина электронов справа от объемного заряда, электроны которой, смешиваясь с положительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стримера, заполненный плазмой. Зажигается стримерный коронный разряд. Положительные заряды этой лавины будут располагаться на головке стримера и создавать область повышенной напряженности во внешнем пространстве. Наличие области сильного поля обеспечивает образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера постепенно удлиняя его. Стример прорастает к катоду, вызывая пробой промежутка при сравнительно малой величине разрядного напряжения.

При отрицательной полярности острия электрическое поле непосредственно у острия приводит к эмиссии электронов с катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Электроны лавин, перемещаясь в слабое поле у анода, теряют скорость, захватываются нейтральными молекулами, становятся отрицательными ионами, рассеянными в пространстве.

Положительные ионы лавин образуют объемный заряд у острия, который, взаимодействуя с внешним полем, будет увеличивать напряженность непосредственно у острия и уменьшать в остальной части промежутка (рис. 1.10, б). Увеличение поля у острия приводит к усилению эмиссии электронов с поверхности катода, которые, смешиваясь с положительным объемным зарядом, образуют у катода зародыш катодного стримера.





Вследствие большого числа начальных лавин у катода плазменный канал здесь представляет собой более или менее однородный слой с радиусом кривизны большим, чем у острия. Поэтому электрическое поле несколько выравнивается и напряженность во внешней области уменьшается.

Уменьшение напряженности электрического поля во внешнем пространстве приводит к тому, что для дальнейшей ионизации в этой части промежутка необходимо значительно увеличить разность потенциалов между электродами. При дальнейшем увеличении напряжения происходит ионизация справа от плазменного слоя, большое число образующихся лавин приводит к удлинению стримера. Однако, так же, как и в начале, благодаря большому числу лавин головка стримера размыта, и возрастание напряженности на головке стримера оказывается гораздо меньшим, чем при положительном острие.

В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном острие происходит с большими трудностями, поэтому разрядное напряжение при отрицательной полярности острия больше, чем при положительной полярности (в 2–2,5 раза).

На переменном напряжении пробой происходит всегда на положительной полярности.





Барьерный эффект

Существенное влияние объемного заряда на развитие разряда в промежутке с резконеравномерным полем используется на практике для увеличения разрядных напряжений изоляционных промежутков. Это увеличение достигается помещением в промежуток барьеров из твердого диэлектрика (электрокартон, гетинакс и др.). При положительном острие положительные ионы оседают на барьер и растекаются по его поверхности тем равномернее, чем дальше от острия расположен барьер. Это приводит к более равномерному распределению напряженности в промежутке между барьером и плоскостью (рис. 1.12, а) и, следовательно, к значительному увеличению разрядного напряжения. При отрицательной полярности стержня электроны, двигаясь от острия, попадают на барьер, теряют скорость и большинство из них вместе с атомами кислорода становятся отрицательными ионами. На барьере в этом случае появляется концентрированный отрицательный заряд, увеличивающий напряженность поля не только между положительным объемным зарядом у острия и барьером, но и во внешнем пространстве (рис. 1.12, б). Поэтому при отрицательной полярности острия увеличение разрядного напряжения в промежутке при наличии барьера будет незначительным. При расположении барьера в средней части промежутка, разрядные напряжения при отрицательной и положительной полярностях близки. При расположении барьера в непосредственной близости от положительного острия роль его уменьшается вследствие резкой неравномерности распределения зарядов на барьере. Напряженность поля оказывается достаточной для того, чтобы ионизационные процессы проходили но другую сторону барьера. Барьер, расположенный в непосредственной близости от отрицательного острия, не способен задерживать быстрые электроны с острия, которые проходят сквозь барьер к плоскости.





Таким образом, барьеры в промежутке устанавливаются на таком оптимальном расстоянии от острия, при котором разрядные напряжения максимальны (25-30 % от длины промежутка между электродами), причем при положительной полярности острия разрядное напряжение может увеличиться в 2 раза по сравнению с промежутком без барьера (рис. 1.13).



Барьеры широко используются в высоковольтных конструкциях, работающих как в воздухе, так и в масле (высоковольтные вводы, трансформаторы и др.). На переменном напряжении электрическая прочность на положительной полярности увеличивается и приближается к электрической прочности на отрицательной полярности.