Общие сведения о пробивном напряжении.
Одной из весьма важных и сложных задач при разработке аппаратов и других устройств высокого напряжения с газовой изоляцией является правильное использование информации, получаемой при экспериментах, в реальных конструкциях. Условия эксперимента не всегда точно соответствуют тем, которые возникают в процессе эксплуатации.
Подчас очень трудно установить эти различия и еще труднее дать количественную оценку их влияния, так как разнообразные факторы, определяющие электрическую прочность, часто тесно связаны между собою, образуя сложные зависимости. Даже в простейшем случае (при однородном поле) имеется немало факторов, влияющих на электрическую прочность газовой изоляции: природа газа, давление, расстояние между электродами, форма приложенного напряжения и его длительность, условия ионизации промежутка и род металла, из которого изготовлены электроды.
Максимальное значение пробивного напряжения, возможное при данном давлении какого-либо газа и расстоянии между электродами, обеспечивается в однородном поле. По мере искажения электрического поля (при неизменных прочих условиях) пробивное напряжение уменьшается. Наименьшие значения пробивного напряжения обнаруживаются в промежутке игла — плоскость при положительной полярности иглы. Очевидно, что при разработке новых конструкций высокого напряжения необходимо знать пределы изменения пробивного напряжения и влияние на его величину различных параметров, чтобы при минимальных габаритах устройства обеспечить необходимую электрическую прочность.
В однородном поле при давлениях газа выше атмосферного пробивное напряжение увеличивается по закону Пашена с ростом произведения ps, где р — давление газа, s — расстояние между электродами. При этом, однако, наблюдается отклонение от закона Пашена. Так, для данного значения произведения ps экспериментально определенное пробивное напряжение заметно отстает от роста давления. Отклонение от закона Пашена возрастает по мере уменьшения однородности поля. Однако характер зависимости Unр=f(p) при этом остается монотонно возрастающим. При данном же значении давления р электрическая прочность промежутка, как видно из рис. 1, линейно растет с расстоянием s между контактами [9, 12].
Некоторые авторы [10] отмечают, что при сравнительно низких давлениях газа пробивные напряжения промежутков между электродами из различных материалов практически совпадают, но при высоких давлениях наблюдается заметное различие. Наибольшее пробивное напряжение получено для электродов из нержавеющей стали, наименьшее — для алюминиевых. Железным и медным электродам соответствуют промежуточные значения. При этом обнаружено, что основную роль играет материал катода.
Влияние на электрическую прочность природы газа.
Электрический пробой газового промежутка в однородном поле начинается с ускорения электрона, образовавшегося под влиянием внешнего ионизатора, в электрическом поле. Если величина электрического поля достаточна для сообщения электрону такого ускорения, при котором к моменту столкновения с нейтральной молекулой он приобретет способность вызвать ее ионизацию, то может возникнуть лавина электронов, развитие которой сопровождается образованием новых очагов ионизации под действием фотонов.
Возникновение начальной лавины сопровождается образованием положительного объемного заряда и приводит к местной концентрации электрического поля. Усиление поля в ограниченной части промежутка увеличивает число электронов вторичных лавин, вливающихся в зону положительного объемного заряда, которая вытягивается в виде узкого канала. По нему непрерывным потоком движутся электроны лавин, вливающихся в канал. Этот процесс подобен волновому и назван «стримером». После пересечения стримером всего промежутка температура его канала вследствие движения электронов повышается и разряд переходит в форму электрической дуги.
Развитие пробоя определяется несколькими параметрами. Основными из них являются: коэффициент ударной ионизации а, равный числу ионизаций, произведенных одним электроном на пути в 1 см в направлении электрического поля; коэффициент γ — число вторичных электронов, освобожденных с катода одним положительным ионом, и коэффициент прилипания η, т. е. число электронов, захваченных молекулами на 1 см пути в направлении поля. Захват отнимает электроны у возникающей лавины и стремится предотвратить развитие пробоя. Очевидно, что электрическая прочность газа тем выше, чем больше коэффициент прилипания η и чем меньше коэффициент ионизации а.
Коэффициенты а и η находятся в довольно сложной зависимости от размера и структуры молекулы газа. В газах с более крупными молекулами возникает большее число столкновений на единицу длины пути электрона, вследствие чего его скорость к моменту столкновения, а следовательно, и коэффициент а снижается. В высокомолекулярном газе, например элегазе, благодаря многим возможным уровням возбуждения столкновения не упруги и кинетическая энергия электрона поэтому полностью поглощается молекулой. Коэффициент прилипания в этом случае может быть очень большим. Высокое сродство молекулы с электроном, зависящее от структуры молекулы и природы составляющих ее атомов, увеличивает коэффициент прилипания.
Электронное сродство возрастает слева направо и снизу вверх в периодической таблице элементов; оно, таким образом, максимально для элементов F, С1, Вr, О, S, Se, которые расположены в правом верхнем углу таблицы. Эти элементы называются электроотрицательными.
Соединения электроотрицательных элементов обычно также имеют высокое электронное сродство, т. е. высокий коэффициент прилипания. Элегаз, состоящий из двух электроотрицательных газов, обладает высокими электроотрицательными свойствами.
При столкновении электрона с нейтральной молекулой элегаза возможны следующие реакции, задерживающие развитие пробоя [13]:
Очевидно, что некоторые из возбужденных ионов (SF6) диссоциируют, благодаря чему образуются отрицательные ионы SF5 (реакция 2), другие —нет (реакция 1). Можно предположить появление вследствие диссоциации (SF6) и других отрицательных ионов, таких, как
Возможно также появление отрицательных ионов фтора
Однако наибольшее значение с точки зрения электрической прочности имеет образование ионов SF6 и SF5.
Область, где может произойти захват электрона, характеризуется «сечением захвата». Оно является сложной функцией энергии, которую имеет электрон к моменту вхождения в эту область. Для элегаза размер этой области в максимуме чрезвычайно велик. Он оценивается величиной по крайней мере в 10-15 см2, причем высота максимума линейно растет с давлением элегаза.
Следует отметить, что, например, в кислороде, также обладающем способностью присоединять к себе электроны с образованием отрицательных ионов О-, сечение захвата в максимуме оценивается величиной 0,25 · 10~18 см2 при энергии 6,7 эв.
Максимум сечения области, где образуются ионы SFi", наблюдается при энергии 0,1 эв, ширина ее около 0,05 эв. Соответствующая кривая для ионов SFs” также имеет максимум при 0,1 эв и затем спадает, достигая нуля примерно при 1,5 эв. Максимальное сечение диссоциативного образования иона было оценено величиной 10-17 см2. Зависимости токов в относительных единицах ионов SFr и SFiT от ускоряющего напряжения U приведены на рис. 2.
Образовавшийся свободный электрон, еще не успевший значительно разогнаться к моменту столкновения с нейтральной молекулой или радикалом типа SF5, SF4 и т. д., со 100%-ной вероятностью будет ими захвачен. Но даже в том случае, если при столкновении электрон и не оказался захваченным:
то освобожденный электрон будет лишен своей кинетической энергии. Движение в электрическом поле он будет продолжать с практически нулевой начальной скоростью. Его возможности ионизировать молекулу, высвобождая вторичные электроны, существенно уменьшились.
В случае же реакции
образуются неустойчивые радикал SF5 и ион F-. Они будут реагировать с другими частицами, образуя устойчивые группы, и. в конце концов, захваченный электрон также освобождается с потерей энергии. Электрическая прочность определяется значениями коэффициентов а и η и их зависимостью от напряженности электрического поля Е (точнее, от отношения этой величины к давлению газа р). Условие пробоя в соответствии с теорией Таунсенда имеет вид:
Пробой возможен, следовательно, при а/р>г\/р. Предельным случаем существования самостоятельного разряда является (a/p — η/ρ)=0. В элегазе этот предел имеет место Е/р= 117, а в воздухе при Е/р≈36 в/(см-мм рт. ст.). Отношение этих величин близко к отношению электрических прочностей элегаза и воздуха в однородном поле.
