книги / Техника высоких напряжений

и

/

чески не зависит от частоты и опре­

s

/ Ч

у

5=10см

деляется рассмотренными

в преды­

/

.

дущих параграфах

элементарными

I

процессами.

/ /

}

СМ,

При

частоте

/>/кр

разрядное

/ //

s

напряжение с ростом частоты сни­

жается,

что

связано

с

влиянием

/ / X

объемных зарядов. Как неоднократ­

р

но

указывалось,

ионизация

в

про­

межутке

происходит

еще

до

воз­

О

4

8

12

16

am

никновения пробоя. При небольшой

Рис. 6-14. Разрядные напряжения в азоте

частоте ионы, возникшие в один

при промышленной частоте (сплошные ли­

полупериод,

в

течение

этого

же

нии) и импульсах положительной полярно­

полупериода успевают дойти до

сти

(пунктир).

П р о м еж у то к

м е ж д у

д в у м я

стер ж н я м и

с т а н д а р т ­

электродов, и в последующий полу-

ной ф орм ы .

5 - 2 и 10 см .

э л ек тр о д а м и

период процесс начинается

при

от­

Р а ссто я н и е

м е ж д у

сутствии объемного заряда. Но при

меньше.

Это

предположение

под­

возрастании

частоты

до

/кр

часть

ионов не успевает

дойти

до

элек­

тверждается также тем, что ма­

тродов, причем это в большинстве

ксимум

в

кривой импульсного

раз­

рядного

(напряжения

является

го­

случаев

положительные

ионы,

так

как скорость электронов значитель­

раздо

менее ярко выраженным.

но больше, а число отрицательных

6-4. РАЗРЯДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

ионов меньше числа положительных

(так как не

все

электроны

присо­

ПРИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ

единяются к молекулам газа). Ко­

В

последнее

время

в

связи

личество оставшихся

в промежутке

с развитием

техники

высоких и

ионов от полупериода к полуперио-

сверхвысоких

частот,

требующей

ду

возрастает,

создается

довольно

зачастую

применения

высоких

на­

значительный

объемный

заряд,

ко­

пряжений, усилился интерес ^проч­

торый и приводит к снижению раз­

ности газовой изоляции при часто­

рядного

напряжения.

Критическая

тах, сильно отличающихся от про­

частота /кр зависит от давления га­

мышленной.

Измерения

разрядных

за и расстояния между элёктрода-

напряжений

в

широком

диапазоне

ми. Например, в воздушном проме­

частот

показывают,

что

имеется

жутке

с однородным

полем

при

пять диапазонов частот, в которых

нормальных

атмосферных условиях

зависимость

разрядного

напряже­

и s = 0,09 см

критическая

частота

ния от частоты имеет различный

равна 1000 кгцу при 5 = 0,45 см она

характер

и

определяется

различ­

уменьшается

до

ПО

кгцу

а

при

ными

физическими

процессами

5 = 2,5 см—до 20 кгцу т. е. изменяет­

(рис. 6-15).

ся .приблизительно

обратно

пропор­

При изменении частоты от 0 до

ционально расстоянию. При

увели­

/кр разрядное

напряжение

практи-

чении давления

критическая

часто­

та должна уменьшаться. В резконе­

однородных полях, где образование

объемных зарядов

происходит

го­

раздо более

интенсивно,

критиче­

ская частота обычно меньше и раз­

рядное

напряжение снижается

бо­

лее значительно. В качестве иллю­

страции на рис. 6-16 приведена

зависимость

разрядного

напряже­

Рис. 6-15. Характер зависимости разрядно­

ния

от

расстояния

для

промежут­

го

напряжения

от

частоты.

ков

между

двумя

пластинами

и

последовательными

ионизирующи­

большинстве случаев влияние влаж­

ми столкновениями

уменьшится.

ности в однородном поле настолько

На рис. 6-17 приведены зависи­

мало, что его обычно не учиты­

мости от частоты разрядного напря­

вают.

жения

в

воздухе

при

разных

рас­

В резконеоднородных полях уве­

стояниях

между

электродами

одно­

личение

влажности

воздуха

также

родного поля.

Из

графика

видно,

приводит

к

возрастанию

разрядно­

что для расстояний s = 2—10 мм ча­

го напряжения, однако в этом слу­

стота,

соответствующая

минимуму

чае влияние влажности значительно

разрядного

напряжения,

имеет

по­

больше. Обычно влияние влажности

рядок

1—10 Мгц.

воздуха

определяется

по

отклоне­

На

рис.

6-18

приведена

зависи­

нию от разрядного напряжения при

«стандартной» влажности, в качест­

мость

от давления

разрядного

на­

ве

которой

принимается

наличие

пряжения

при

разных

расстояниях

11

г

паров

воды

в

1

мъ

воз­

между

электродами и

частоте

/=

духа, чему соответствует

парциаль­

= 1

Мгц.

Из

кривых

следует,

что

ное

давление

водяных

паров

при высокой частоте закон Пашена

8,7 мм рт. ст. В некоторых странах

не соблюдается,

но U-образный

ха­

за стандартную

влажность

прини­

рактер

зависимости

разрядного

на­

мается

14,3 г/мг или

11,3 мм рт. ст<

пряжения

от давления сохраняется.

Графики определенного экспери­

ментально коэффициента £, на ко­

6-5. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

торый

следует

умножить

разряд­

НА РАЗРЯДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

ное напряжение при данной влаж­

ности воздуха для того, чтобы по­

В

однородном

поле

влажность

лучить

разрядное напряжение

при

воздуха оказывает

некоторое, прав­

нормальной

влажности

(14,3 г/мг)

да

очень

незначительное,

влияние

приведены

в

гл.

9

(рис.

9-1). Так

на

величину

разрядного

напряже­

как

увеличение

влажности

приво­

ния.

Так,

например,

по

данным

дит

к

возрастанию

разрядного

на­

Ритца

при

нормальном

атмосфер­

пряжения, этот коэффициент с ро­

ном давлении в промежутке с рас­

стом влажности должен уменьшать­

стоянием

между

электродами

1 см

ся. Отдельные кривые на этом

увеличение

абсолютной

влажности

графике

соответствуют

различным

воздуха от 10 до 25 мм рт. ст.

по­

видам

промежутков

и

различным

вышает разрядное

напряжение

на

формам приложенного напряжения.

2%. По всей вероятности, увеличе­

Графики справедливы также в слу­

ние разрядного напряжения в одно­

чае разряда в воздухе по

поверх­

родном поле при возрастании влаж­

ности

изоляторов,

который

будет

ности связано с тем, что пары воды

подробно рассматриваться в гл. 7

являются

электроотрицательньш

раздела

1 и в разделе 2 книги.

газом.

Увеличение

содержания

Следует отметить, что в дейст­

электроотрицательного

газа

приво­

вительности

разрядные напряжения

дит к захвату большего количества

в воздухе при различной влажности

электронов с образованием

отрица­

подвержены

значительным

разбро­

тельных ионов, в результате чего

сам, поэтому кривые рис. 9-1 дают

число ионизирующих частиц в про­

только порядок

величин

разрядных

межутке

уменьшается

и

разрядное

напряжений

с

учетом

влажности

напряжение

возрастает.

Однако в

воздуха.

7-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

характерен,

например, для опорных

Внесение диэлектрика в воздуш­

изоляторов.

ный промежуток существенно изме­

3.

Диэлектрик расположен врез­

няет

его

разрядное

напряжение.

конеоднородном поле, причем прак­

При

этом

значительное

влияние

тически

на

всей

поверхности

нор­

оказывает как материал диэлектри­

мальная составляющая

напряжен­

ка, так и состояние его

поверхно­

ности

«преобладает

над

танген­

сти,

вдоль

которой

развивается

циальной (рис. 7-1,в). Такая форма

разряд, а также форма электриче­

электрического

поля

имеет

место

ского ноля в промежутке между

главным образом в проходных изо­

электродами. Можно выделить три

ляторах.

характерных

расположения

диэлек­

7-2. ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД

трика в электрическом поле:

1. Диэлектрик помещен в одно­

В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

родное поле

так,

что

его

поверх­

Казалось

бы,

что

диэлектрик,

ность параллельна силовым линиям

расположенный

по

рис.

7-1,а,

не

(рис.

7-1,а).

Этот

случай

редко

искажает

электрического

поля

встречается

в реальных

изоляцион­

в воздухе, а следовательно, не дол­

ных конструкциях, но часто исполь­

жен

изменять

разрядного

напряже­

зуется в

лабораториях

для

иссле­

ния.

Опыт,

однако,

показывает,

дования

основных

свойств

разряда

что разрядное напряжение по по­

по поверхности диэлектрика. К это­

верхности

диэлектрика

всегда

зна­

му

случаю

приближается

также

чительно ниже

разрядного

напря­

расположение диэлектрика в слабо­

жения чисто воздушного промежут­

неоднородном

поле,

которое приме­

ка, причем иногда это снижение

няется значительно

чаще,

особенно

может

быть

весьма

значительным

в сложных

изоляционных

кострук-

(в 2 и более раз).

циях.

На величину

разрядного

напря­

2. Диэлектрик

расположен

в

жения по

поверхности диэлектрика

резконеоднородном

поле,

причем

прежде

всего

оказывает

влияние

в

большинстве

точек

поверхности

наличие воздушных

прослоек

меж­

диэлектрика

(за

исключением

не­

ду

диэлектриком

и

электродами.

больших

участков,

непосредственно

Так как диэлектрическая

проницае­

примыкающих

к

электродам)

со­

мость воздуха меньше диэлектриче­

ставляющая

напряженности

поля,

ской

проницаемости

твердого

ди­

направленная

вдоль

поверхности

электрика,

напряженность

поля

(тангенциальная

составляющая),

в воздушной прослойке в несколько

преобладает

над

нормальной

со­

раз превышает среднюю на«пряжен-

ставляющей.

Этот

случай,

изобра­

ность,

благодаря

чему

ионизация

женный схематически на ри-с. 7-1,6,

в воздушных

прослойках

возникает

гораздо* раньше,

чем

в

основном

воздушном

промежутке.

Продукты

ионизации

выходят

из

воздушных

щелей

на

поверхность

диэлектрика

и способствуют более раннему за­

жиганию

разряда

по

поверхности.

Поэтому в практических изоляцион­

Рис. 7-1. Различные случаи расположения

ных конструкциях принимаются все

диэлектрика

в

электрическом

поле.

меры

к

тому,

чтобы

обеспечить

~ /~ Z

нии

относительной влажности воз­

духа

(при определении

относитель­

' / 4/

ной влажности за единицу прини-

мае/гся парциальное давление насы­

/

щенного пара при тех же давлениях

/

/ /

и температуре) разрядное напряже­

/

ние

вначале несколько

возрастает

/

/

/

в соответствии с кривыми рис. 6-19.

___

При

величине относительной влаж­

4

ности, соответствующей конденсации

/ у

влаги

на

поверхности

диэлектрика

(60—70% на рис. 7-3), происходит

резкое

уменьшение

разрядного на­

о

г

S

пряжения. В этой области

влажно­

1

г см

сти

имеют место значительные раз­

Рис. 7-2. Разрядные напряжения по по­

бросы разрядных напряжений, пока­

верхности стекла в однородном поле.

занные на рис. 7-3 заштрихованной

п р яж ен и е;

3 — н ап р я ж ен и е

п ром ы ш лен н ой

ч а ­

зоной.

При

относительной

влаж­

/ — и м п у л ь сн ая

волн а

1,5/40; 2 — п остоянн ое н а ­

П у н к ти р о м п о к азан о

стоты

н ап р я ж е н и е

чи сто

ности

воздуха,

близкой

к

100%,

р азр я д н о е

разбросы

раз-рядных

напряжений

во зд у ш н о го

п р о м еж у тк а .

уменьшаются,

так

как

при

этом

пл-0тное

соеданение

электр-одов

практически

.вся поверхность

ока­

с твердым диэлектриком. С фарфо­

зывается смоченной водой и усло­

ровыми

изоляторами

с

электроды

вия

развития

разряда

делаются

обычно

скрепляются

помощью

достаточно

стабильными.

Случай

цемента, обеспечивающего хорошую

разряда

по

сильно

увлажненной

механическую

прочность

и отсутст­

поверхности диэлектрика будет рас­

вие каких бы то ни было воздуш­

смотрен более подробно в § 7-5.

ных включений.

Однако

даже

при

небольшой

Однако и при плотном прилега­

влажности

воздуха

поверхность

нии электродоъ к диэлектрику раз­

диэлектрика

не остается

абсолютно

рядное

напряжение

по поверхности

сухой. Вследствие гигроскопичности

остается гораздо более низким, чем

материала

в

диэлектрике всегда

в

чисто

воздушном

промежутке.

имеется

некоторый

поверхностный

На рис. 7-2 приведены разрядные

слой

адсорбированной

влаги,

обла­

напряжения

по поверхности

стекла

дающий очень большим, но все же

в однородном

поле

при

различных

конечным сопротивлением. Посколь­

видах напряжения. Как видно, сни­

ку

вода

обладает ионной

проводи-

жение

разрядного напряже­

ния по

сравнению

с чисто

Uo

воздушным

промежутком

наиболее

велико

при

дли­

тельном

воздействии

(по­

V/M

стоянное

напряжение

и

на­

пряжение

промышленной

i

m

частоты).

значение

имеет

Важное

зависимость

разрядного

на­

0

ZO

40

60

80

юо

пряжения от влажности воз­

Относительная

Относительная

духа. На рис. 7-3 -показаны

Влажность, %

Влажность,%

такие

зависимости

для

об­

а)

б>

разцов

из стекла и бакелита

(диаметр

образцов

35

мм,

Рис. 7-3. Зависимость разрядного напряжения в воз­

высота

30 мм).

Как

видно

духе вдоль поверхности образца из стекла (а) и ба­

келита

(б)

в однородном поле от относительной

из

графиков,

при

увеличе­

влажности

воздуха.

ле>

Так же как и в однородном ио-

щих разрядов», так как действи­

устройство ребер

на поверхно­

тельно

каналы

разрядов

как

бы

сти диэлектрика может значительно

прилипают

к

поверхности

диэлек­

увеличить разрядное наиряжение.

трика, не отрываясь от нее на всем

При

этом

наибольшее

значение

пути между электродами.

разря­

имеют ребра, расположенные в об­

Образование скользящих

ласти

сильного

поля,

т. е. у неза-

дов

можно

объяснить

следующим

земленного электрода опорного

образом. Во второй стадии разряда

изолятора. Помимо

увеличения пу­

вдоль

каналов

отдельных

нитей

ти перекрытия по поверхности, эти

двигаются ионы, созданные ударной

ребра играют роль барьеров, ана­

ионизацией. Из-за большой

нор­

логичных барьерам

в

чисто

газо­

мальной составляющей

напр яжен-

вых промежутках

(ом. гл.

4). При­

ноети

электрического

поля

эти

менение

ребер

широко использует­

ионы непрерывно бомбардируют

ся

при

конструировании

изолято­

поверхность дизлектрика,

приводя

ров различных типов.

к местным

повышениям температу­

ры. По

мере

увеличения

напряже­

7-4. ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД

ния

число

ионов,

перемещающихся

по нитям

разряда, увеличивается,

В РЕЗКОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ

благодаря

чему

возрастает

темпе­

С ПРЕОБЛАДАЮЩЕЙ НОРМАЛЬНОЙ

ратура в отдельных точках поверх­

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

НАПРЯЖЕННОСТИ

ности. При

определенном

напряже­

Наличие

большой

нормальной

нии

эта

температура

оказывается

составляющей напряженное™ элек-

достаточной для возникновения тер­

1рического

поля

на

поверхности

мической ионизации, под действием

диэлектрика

приводит

к значитель­

которой

число

ионов

в

каналах

ному

снижению

разрядного

напря­

резко

возрастает.

В

связи с этим

жения и изменению характера раз­

резко

уменьшается

сопротивление

ряда.

Ионизация

во

всех

случаях

каналов,

уменьшается

падение

на­

начинается в точке А рис. 7-1,<з, где

пряжения в каналах, а на концах

абсолютная величюна

напряж енно-

каналов

увеличивается

напряжен­

сти поля весьма велика благодаря

ность поля, способствуя их интен­

малому расстоянию между электро­

сивному

удлинению.

Таким

обра­

дами. Поэтому уже при относитель­

зом,

образование

скользящих

раз-

но

небольших

напряжениях

на

рядов

непосредственно

связано

краю

электрода

возникает

светя­

с

возникновением

термической

щаяся полоска

коронного

разряда.

ионизации

на

поверхности диэлек­

При

увеличении

напряжения

раз­

трика.

ряд приобретает форму слабо све­

Протекающий

по

каналу

разря­

тящихся

нитей,

распространяющих­

да ток затем замыкается через ем­

ся по направлению к противопо­

кость канала относительно противо­

ложному

электроду.

Длина

этих

положного

электрода.

Поэтому

нитей

растет приблизительно

про­

величина

тока, число

двигающихся

порционально

приложенному

на­

ионов

и

создаваемый

ими

нагрей

пряжению. При

некотором

опреде­

поверхности

диэлектрика

в

силь­

ленном

значении

напряжения

ка­

ной степени должны зависеть от

налы

разряда

преобразуются,

величины этой емкости

и от скоро­

длина их начинает расти значи­

женного

напряжения.

Емкость

тельно быстрее

приложенного на­

канала разряда пропорциональна

пряжения, так что вскоре они пере­

величине емкости

единицы

поверх­

крывают все

расстояние

между

ности диэлектрика

относительно

электродами и

происходит

полный

протювополОЖ1НОГО

электрода (так

пробой промежутка. Эта последняя

называемая

удельная

поверхност­

стадия получила название «скользя­

ная емкость).