В неоднородном электрическом поле, помимо перечисленных выше факторов, определяющих электрическую прочность газовой изоляции, добавляется еще один: характер электрического поля, зависящий от конфигурации электродов. С этой точки зрения электрические поля можно разделить на однородные, резко неоднородные и поля с той или иной степенью неоднородности.
Зависимость пробивного напряжения Uпр газа от давления р в резко неоднородном поле при положительной полярности иглы существенным образом отличается от таковой для равномерного поля. В первом случае в кривой Uпр=f(p) при некотором давлении рм обнаруживается максимум пробивного напряжения, за которым следует спад. При некотором давлении рс наблюдается минимум пробивного напряжения, после которого Uпр монотонно растет. На рис. 3 приведены зависимости пробивного напряжения некоторых газов от давления, полученные Поллоком и Купером [18]. Расстояние между электродами острие— плоскость составляло 0,3 см. Острие изготовлялось ив вольфрамовой проволоки с полусферическим концом радиуса 0,025 см.
Следует отметить, что механизм пробоя газа между электродами, образующими резко неоднородное поле, весьма сложен и до конца еще не выяснен. Своеобразный характер зависимости:
Рис. 3. Зависимости пробивного напряжения и напряжения начала короны от давления газов: 1— элегаз; 2—фреон; 3— воздух; 4 — углекислота (СO2) пробивное напряжение; напряжение начала короны
Unp=f(p) для электродов типа игла — плоскость Ховард объясняет следующим образом. В сильно неоднородных полях в узкой зоне высокой напряженности поля возникает самостоятельный разряд в форме коронного разряда. Напряжение Uн, при котором корона возникает, называют начальным напряжением. Можно считать, что она как бы увеличивает радиус кривизны электрода, выравнивая электрическое поле, вследствие чего пробивное напряжение возрастает по сравнению с UH. В связи с этим говорят, что разряд в этой области стабилизирован короной, понимая под этим значительное повышение пробивного напряжения в области максимума, по сравнению с начальным. Следует подчеркнуть, что не всегда возможно использовать преимущества коронной стабилизации разряда из-за того, что при коронном разряде некоторые газы (в частности, элегаз) становятся химически активными, способными разрушающе действовать на многие конструкционные материалы. Поэтому должно быть совершенно исключено появление короны в элегазе под действием рабочего напряжения. Ввиду кратковременности появление короны при перенапряжениях в большинстве случаев не опасно.
Рис. 4. Зависимости пробивного напряжения от давления для промежутков между электродами с различной неоднородностью поля.
Чем выше степень неоднородности электрического поля, тем больший интервал наблюдается между начальным и пробивным напряжениями. Наличие объемного заряда изменяет также и траекторию искрового разряда, поэтому при давлениях газа, близких к рм, разряды стремятся пройти вдоль внешней области объемного заряда, а не через его центр, где поле, по-видимому, более однородно. В этой области часто наблюдается кистевой разряд, не достигающий противоположного электрода.
Повышение давления газа связано с усилением фотоабсорбции.
В области максимума фотонная абсорбция становится весьма интенсивной. Это приводит к усиленному образованию электронных лавин в промежутке. Движение отрицательных зарядов к аноду будет приводить к нейтрализации положительного объемного заряда и, следовательно, снижению пробивного напряжения по сравнению с пробивным напряжением при рм. При давлении рс происходит полная нейтрализация положительного пространственного заряда, и пробой наступает без предшествующей короны.
Из рис. 3, кроме того, видно, что для данной конфигурации электродов и неизменного расстояния s между ними положения максимума и минимума пробивного напряжения зависят от природы газа. Для данного же газа, и в частности элегаза, и неизменного расстояния s значение максимума пробивного напряжения, как показано на рис. 4, возрастает и перемещается в область более высоких давлений при увеличении радиуса электродов r, т. е. по мере выравнивания электрического поля. Интервал между максимальным и минимальным пробивными напряжениями при этом сокращается, и в полях однородных или близких к однородному пробивное напряжение монотонно растет.
На рис. 5 приведены зависимости пробивного напряжения от давления при различных расстояниях между электродами в элегазе, образованных закругленной стальной иглой диаметром около 1,6 мм и плоскостью при постоянном напряжении и положительной полярности иглы [20]. Из рисунка видно, что по мере увеличения расстояния между электродами s максимум пробивного напряжения смещается в область более низких давлений, так как поле при этом становится все менее равномерным, а минимум — в область более высоких. Поэтому кривые, соответствующие большим расстояниям, охватывают кривые для меньших расстояний. Удвоение расстояния между электродами не вызывает соответствующего увеличения максимума пробивного напряжения. Отчасти это объясняется смещением максимума в область низких давлений. При отрицательной полярности иглы максимума не обнаруживается, и вследствие этого за максимумом для положительной полярности пробивное напряжение при отрицательной полярности иглы значительно выше, чем при положительной.
Рис. 5. Зависимости пробивного напряжения от давления для различных расстояний между электродами постоянный ток; переменный ток
Пунктиром на том же рисунке показана кривая пробивного напряжения промежутка длиною s = 25,4 мм при переменном напряжении с частотой 60 гц. Кривые для постоянного и переменного напряжения имеют приблизительно одинаковую форму и значения.
Следует, однако, иметь в виду, что влияние изменения расстояния между электродами и радиуса закругления в количественном отношении не совсем идентичны. Поэтому при других значениях s и r относительное расположение кривых Unp=f(p) при постоянном и при переменном напряжении может быть иным.
Сравнение кривых прочности промежутка в элегазе и воздухе при постоянном давлении (ρаб=1кГ/см2) от расстояния между электродами плоскость — шар диаметром 1,4 см, показано на рис. 6 [21]. Из рисунка видно, что при положительной полярности шара и при расстояниях свыше 10 см пробивное напряжение в элегазе ниже, чем в воздухе. Этот, на первый взгляд, неожиданный результат можно объяснить следующим образом.
С увеличением расстояния между электродами значения максимумов пробивного напряжения элегаза и воздуха перемещаются в различной степени для каждого газа в область меньших давлений. При этом максимум пробивного напряжения в воздухе может совпасть с областью минимальных пробивных напряжений в элегазе, и электрическая прочность последнего в этом случае окажется ниже прочности воздуха.
Интересно отметить, что при малых расстояниях между электродами, когда поле сравнительно однородно, напряжение начала короны Uн, как видно из рис. 6, совпадает с пробивным Uпр. При больших расстояниях пробивное напряжение из-за коронной стабилизации начинает превышать напряжение начала короны.
Электрическая прочность конструктивных промежутков в элегазе при промышленной частоте. Во многих конструкциях электрических аппаратов трубчатые или сплошные цилиндрические электроды с закругленными краями помещены во внутреннюю полость фарфорового изолятора. При этом характер электрического поля зависит не только от конфигурации электродов. Существенное влияние на степень однородности оказывает наличие вблизи промежутка фарфора.
Ниже приведены (по данным ЛПИ) зависимости пробивного напряжения в элегазе при разных давлениях от расстояния между электродами при следующих сочетаниях диаметров электродов и фарфоровых изоляторов [22]: внутренний диаметр фарфорового изолятора D=160 мм, диаметр электродов d=40 мм (рис. 7); D=160 мм, d=80 мм (рис. 8); D=100 мм, d=40 мм (рис. 9); D =160 мм, электроды трубчатые с наружным и внутренним диаметрами соответственно 96 и 62 мм (рис. 10).
Радиус закругления электродов г был неодинаков для различных диаметров, однако отношение r/d практически сохранялось неизменным и приблизительно равным 0,1.
На рис. 7 представлены зависимости пробивных напряжений при промышленной частоте от расстояния между гладкими и оплавленными электродами для первого сочетания электродов и изолятора, а на рис. 8 —для второго. Для третьего сочетания при гладких электродах аналогичные результаты приведены на рис. 9.
Рис. 7. Зависимость пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между электродами диаметром (d=40 мм; D =160 мм)
----- гладкие электроды;--------- оплавленные электроды
Рис. 8. Зависимости пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между электродами (D=160 мм; d=80 мм)
-------- гладкие электроды;----------- оплавленные электроды
Как показывает опыт, уменьшение расстояния между электродами и фарфором приводит к снижению пробивного напряжения. В первом случае удаление электродов от стенок составляет 60 мм, во втором — 40 мм. Казалось бы, следовало ожидать уменьшения электрической прочности во втором случае. В действительности же электрическая прочность промежутка в элегазе при электродах диаметром 80 мм на 20—30% выше, чем при электродах диаметром 40 мм. В данном случае еще большее влияние, чем близость фарфора к электродам, на электрическую прочность оказывает степень равномерности электрического поля, определяемая конфигурацией электродов. При электродах диаметром 80 мм электрическое поле более равномерно, чем при электродах диаметром 40 мм, и это обстоятельство привело к тому, что, несмотря на уменьшение расстояния электрод —фарфор, электрическая прочность промежутка возросла.
Рис. 9. Зависимости пробивного напряжения в элегазе при промышленной частоте от расстояния между гладкими электродами (D=100 мм; d = 40 мм)
Рис. 10. Зависимость пробивного напряжения в элегазе от расстояния между гладкими трубчатыми электродами
Однако при увеличении диаметра электродов (при неизменном О) будет достигнуто такое положение, когда эффект снижения электрической прочности из-за уменьшения расстояния электрод — фарфор начнет преобладать над эффектом увеличения электрической прочности вследствие выравнивания поля конфигурацией электродов. Таким образом, кривая прочности промежутка в зависимости от диаметра электродов d будет иметь максимум при некотором его значении. Это значение диаметра электродов d (при данном значении диаметра фарфора О) является оптимальным.
Оптимальное значение диаметра электродов при диаметре фарфора D=160 мм лежит в пределах d=80—90 мм, поэтому при d = 96 мм, как видно из рис. 10, электрическая прочность промежутка несколько ниже, чем при d = 80 мм.
Представление о степени влияния стенок фарфорового цилиндра на электрическую прочность промежутка в элегазе дает сравнение рис. 7 и 9.
Уменьшение расстояния до стенок фарфора с 60 до 30 мм (при одном и том же диаметре электродов) вызвало снижение электрической прочности промежутка, определяемого коэффициентом kc, равным отношению пробивного напряжения при D= 160 мм к пробивному напряжению при D=100 мм. Степень снижения электрической прочности промежутка для третьего сочетания по сравнению с первым, как видно из табл. 2, существенно зависит от расстояния s между контактами.
Таблица 2
При небольших расстояниях между контактами близость стенок фарфора практически не ощущается, коэффициент снижения электрической прочности при расстояниях 10 и 20 мм близок к единице.
Наиболее быстрый рост коэффициента снижения электрической прочности для данных сочетаний Dud наблюдается при расстояниях s = 25—70 мм; при s = 100—120 мм коэффициент практически не изменяется.
Причина снижения электрической прочности промежутка при уменьшении расстояния между электродом и фарфором заключается в том, что наличие фарфора вблизи контактов вызывает повышение градиента на контактах, причем вызванное этим обстоятельством увеличение неравномерности сказывается тем сильнее, чем больше расстояние между электродами. При расстояниях s между электродами, несколько превышающих двойное расстояние от электродов до стенок фарфора, пробой часто идет с электрода на фарфор по поверхности фарфора, затем снова через газовый промежуток на другой электрод. Это приводит к тому, что кривые Uпp = f(s) загибаются и при значительных расстояниях между электродами пробивное напряжение практически не возрастает. Начало перегиба, как видно из сравнения рис. 7 и 9, зависит от расстояния от фарфора до электродов: чем оно меньше, тем при меньших междуконтактных расстояниях s наблюдается перегиб.
При оплавленных электродах степень равномерности электрического поля, естественно, уменьшается, что приводит к уменьшению прочности промежутка. Отношение пробивного напряжения на гладких электродах к пробивному напряжению при оплавленных электродах (по данным рис. 7 и 8) колеблется в пределах 1,2:65, причем большие значения относятся к меньшим междуконтактным расстояниям. Следует отметить, что для промежутков с электродами d=80 мм оплавление сказывается в большей степени, чем для электродов d=40 мм. И это вполне естественно, так как относительное уменьшение равномерности электрического поля при оплавлении для электродов d= 80мм будет выше, чем для электродов d = 40 мм.
Поскольку во всех рассмотренных случаях электрическое поле не является резко неравномерным, кривые Unр=f(p), построенные по данным рис. 7—9, не имеют максимума, характерного для электродов стержень — плоскость с малым радиусом закругления стержня.
Следует также отметить, что величина пробивного напряжения несколько зависит от положения междуконтактного промежутка по высоте изолятора, причем наличие во внутренней его полости контактов с расстоянием s между ними снижает разрядное напряжение по наружной его поверхности.
Очень важным для практики обстоятельством является выбор промежутка между коаксиальными цилиндрическими электродами. Такие электроды могут встретиться в трансформаторах тока, кабелях, конденсаторах, герметизированных распределительных устройствах и т. д.
Иностранные фирмы, разрабатывающие герметизированные РУ, в качестве изолирующей и дугогасительной среды используют либо воздух, либо элегаз. Решение в пользу того или иного варианта может быть принято в результате тщательного анализа их преимуществ и недостатков.
Как известно, максимальная напряженность в цилиндрическом поле наблюдается на поверхности внутреннего цилиндра. Она равна:
(1)
где U — разность потенциалов между электродами; R — радиус внешнего цилиндра; г — радиус внутреннего цилиндра. Пользуясь этой формулой, можно произвести качественное рассмотрение вопроса пробоя газа в цилиндрическом конденсаторе при различных отношениях R/r. Пусть при R = const изменяется r. Тогда очевидно, что при некотором значении отношения R/r величина Мmакс будет иметь минимальное значение. Действительно, дифференцируя знаменатель по г и приравнивая производную нулю, имеем
откуда R/r = е. При этом значении отношения выражение
r\n(R/r) максимально, так как вторая производная, равная — 1/r, меньше нуля. Следовательно, при R/r = e величина Емакс имеет минимальное значение.
В рассматриваемом случае в зависимости от соотношения наружного и внутреннего радиусов электродов электрическое поле может изменяться от резко неравномерного до практически равномерного. В случае резко неравномерного поля перед пробоем, как правило, возникает корона. Если для грубой оценки считать, что коронирующий слой газа обладает очень большой электропроводностью, то появление короны у поверхности внутреннего цилиндра будет эквивалентно увеличению радиуса этого цилиндра. С увеличением напряжения радиус короны будет расти и, когда он достигнет величины R/e, корона перейдет в искру, т. е. произойдет пробой. Имея это в виду, можно качественно объяснить зависимость пробивного и начального напряжения от радиусов электродов.
При изменении радиуса внутреннего цилиндра пробивное и начальное напряжения должны изменяться следующим образом. При r, близком к R, поле почти однородно, однако промежуток между электродами мал, поэтому пробивное напряжение мало и совпадает с начальным напряжением короны. При уменьшении r однородность поля уменьшается, однако значения Uпр и Uнач возрастают, оставаясь равными друг другу. При r= R/e значения Unр и Uнач должны достигать максимума, так как при этом Емакс минимально. При r<R/e значение Uпр>Uнач и оба с дальнейшим уменьшением r должны уменьшаться. Наконец, при очень малых значениях г объем, в котором напряженность поля достаточна для ударной ионизации, настолько мал, что развитие ударной ионизации, а следовательно, и короны затруднено и Uпр с уменьшением r возрастает.
На рис. 11,а (данные ЛПИ) представлены зависимости пробивного напряжения в элегазе от радиуса внутреннего цилиндра r. Рисунок показывает, что максимум пробивного напряжения наблюдается при г, несколько меньшем отношения R/e. По мере возрастания диаметра внешнего электрода максимум становится все более пологим. Поэтому в реальных конструкциях высокого напряжения радиус внутреннего электрода можно изменять в довольно широких пределах, причем пробивное напряжение будет оставаться практически без изменения.
Зависимости максимального градиента пробивного напряжения Eм.пр от 1/√d, рассчитанные по формуле (1), изображены на рис. 12 [119]. Они получены при полированных внутренних электродах и описываются уравнением:
Рис. 11. Зависимость пробивного напряжения элегаза в промежутке между коаксиальными электродами от радиуса внутреннего цилиндра
1-R=30 мм; 2-R=50 мм
Рис. 12. Зависимости градиента напряжения в элегазе в промежутке между коаксильными электродами в зависимости от 1/√d
