Краткие теоретические сведения. Электрическая прочность воздушных промежутков зависит от ряда факторов, в том числе от рода напряжения

Электрическая прочность воздушных промежутков зависит от ряда факторов, в том числе от рода напряжения, формы электродов и их полярности.

В однородном электрическом поле (E=const) разряд в воздухе возникает при напряженности поля, близкой к 3 МВ/м, и не сопровождается явлением короны.

Степень неоднородности электрического поля принято характеризовать коэффициентом неоднородности K_н, равным отношению максимальной напряженности поля между электродами (E_max) к средней ее величине (E_ср): К_н = E_max/ E_ср, где E_ср= U/S. Для однородных полей K _н = 1, для неоднородных K _н>1 и увеличивается при уменьшении радиуса кривизны электродов и росте расстояния между ними. Условно считается, что поле будет слабонеоднородным при K _н <2 и резко неоднородном при K _н >2…4. Эта граница характерна для случая концентрических цилиндров при R/r =3, для параллельных проводов S/r=30 и для двух сфер одинакового радиуса S/r =8 (S- везде расстояние между электродами) [1].

Электрическое поле промежутка с электродами острие-плоскость является неоднородным (K _н >4). В таком промежутке разрядные напряжения оказываются значительно более низкими, чем в воздушных промежутках с однородными или слабонеоднородными полями. При этом искровому разряду (пробою) предшествует корона.

При любой полярности электродов острие-плоскость ионизации начинается у острия, поскольку напряженность поля здесь больше, чем у плоскости. Образующийся при этом объемный заряд состоит, в основном, из положительных ионов, т.к. электроны, обладающие малой массой и, следовательно, большей подвижностью, практически мгновенно покидают область ионизации. Положительный объемный заряд искажает поле и оказывает существенное влияние на процесс развития разряда.

Как видно из рис. 2.1, при положительной полярности острия возникающий при ионизации объемный заряд уменьшает напряженность поля непосредственно у острия и увеличивают ее в остальной части промежутка.

При отрицательной полярности острия влияние объемного заряда будет противоположным, - он увеличивает напряженность поля около острия и ослабляет ее в остальной части промежутка. В результате изменяется напряжение возникновение короны U_k и разрядное напряжение промежутка U_p.

При положительной полярности острия возникновение короны будет затруднено, т.к. напряженность поля непосредственно у острия понижена. Для возникновения короны потребуется более высокое напряжение, т.е. U_k⁺ > U_k^-.

Поскольку напряженность поля по направлению к плоскости при положительной полярности острия увеличивается, а при отрицательной уменьшается (рис.2.1), то при дальнейшем повышении напряжения при положительном острие разряд в промежутке произойдет при более низком напряжении, т.е. U_р⁺<U_p^-

Рис. 2.1. Напряженность электрического поля в промежутке острие-плоскость: E - без учета влияния объемных зарядов; Eq - создаваемая положительными объемными зарядами; E+E_q - результирующая

Зависимость разрядного напряжения в несимметричных полях от полярности электродов называют эффектом полярности.

Управлять электрическим полем разрядного промежутка и его электрической прочностью можно, например, поместив между электродами тороидальный проводящий экран, на который подан тот или иной потенциал. В зависимости от положения экрана и значения его потенциала можно добиться увеличения или уменьшения разрядного напряжения промежутка.

Устранить эффект полярности частично или полностью можно, поместив между электродами барьер (перегородку) Б (рис. 2.2) из диэлектрика.

Рис. 2.2. Барьер (а) и напряженность электрического поля (б) в промежутке острие-плоскость: 1- без барьера; 2 - с барьером

Материал барьера существенного значения не имеет; важно, чтобы барьер был достаточно плотным, непроницаемым для ионов.

При наличии барьера и положительной полярности острия положительные ионы на поверхности барьера, распределяются тем более равномерным слоем, чем дальше от острия установлен барьер. В результате напряженность электрического поля на участке барьер-плоскость несколько повышается, но, распределяется более равномерно (рис. 2.2,б) в промежутке, что и приводит к заметному увеличению разрядного напряжения при оптимальном положении экрана.

При наличии барьера и отрицательной полярности острия наблюдается как снижение разрядного напряжения промежутка, так и незначительное его увеличение (рис. 2.3).

Рис.2.3.Разрядные напряжения промежутка острие-плоскость:

1 – без барьера; 2 – с барьером.

При переменном напряжении (при частоте 50 Гц) в промежутке острие-плоскость разряд возникает при положительной полярности напряжения на стержне, поскольку при этом разрядное напряжение значительно ниже, чем при отрицательной полярности острия. Поэтому применение барьера для увеличения прочности промежутков эффективно и при напряжении промышленной частоты.

Разрядные напряжения промежутка с электродами острие-острие при переменном напряжении будут выше, чем разрядные напряжения промежутка острие-плоскость. Это объясняется тем, что в последнем случае (в силу большой емкости системы канал стриммера - плоскость) плотность заряда на фронте стримера и, следовательно, напряженность поля вблизи него оказываются более высокими, что облегчает условие распространения стримера вглубь промежутка.