Temat: Wytrzymałość powietrza przy napięciu przemiennym

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z układem probierczym i podstawowymi metodami pomiaru wysokiego napięcia. Głównym celem ćwiczenia jest poznanie izolacyjnych własności powietrza i mechanizmów jego przebicia w układzie elektrod z polem niejednostajnym (elektrody ostrze - ostrze) i z polem jednostajnym (elektrody płyta - płyta). Część teoretyczna ćwiczenia obejmuje zagadnienia ulotu. warunek Townsenda, charakterystykę jonizacji i prawo Paschena.

2.Teoria

Powietrze jest naturalnym i powszechnie wykorzystywanym izolatorem gazowym, zawierającym ok. 78% azotu i ok. 22% tlenu i innych gazów. W normalnych warunkach atmosferycznych powietrze stanowi niemal idealny dielektryk. W pewnych warunkach powietrze traci swoje własności izolacyjne. Utrata własności może być częściowa – wyładowania niezupełne, lub całkowita – wyładowania zupełne. W wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego, promieniowania pierwiastków promieniotwórczych w powietrzu zachodzi jonizacja. Jonizacja może być spowodowana także innymi czynnikami np.:

a) zderzeniami b) temperaturą c) energią świetlną d) polem elektrycznym

Charakterystyka jonizacji ma postać:

W charakterystyce tej możemy wyodrębnić cztery zakresy:

1. Gęstość prądu wzrasta proporcjonalnie do napięcia.

2. Wszystkie naładowane cząsteczki przyspieszone w polu elektrycznym docierają do elektrod. Gęstość prądu ma wartość zwana prądem nasycenia (Jns).

3. Cząsteczki mają wystarczająca energię do jonizowania innych cząstek. Jonizacja przebiega według lawinowego mechanizmu opisanego przez Townsenda.

4. Jonizacja zmienia swój charakter. Gęstość prądu gwałtownie rośnie, gdy jest dostarczana stała energia – jonizacja niesamoistna, lub gdy dostarczana energia maleje – jonizacja samoistna.

Charakterystyka jonizacji ma charakter nieodwracalny. Jej zakończeniem jest przeskok iskry w układzie, występującej po przekroczeniu dopuszczalnego natężenia powietrza.

Według Townsenda warunkiem rozwoju wyładowania samodzielnego w polu jednorodnym jest spełnienie równania:

γ - współczynnik wtórnej jonizacji α - liczba zderzeń jonizacyjnych na 1cm drogi w kierunku pola elektr.

x – odległość od punktu powstania pierwszego elektronu w czole lawiny.

Od strony fizycznej warunek ten można wytłumaczyć w ten sposób, że: wyładowanie bezie podtrzymywane jako samodzielne wówczas, gdy w wyniku procesów zachodzących w powietrzu, z powierzchni elektrody zostanie wyzwolony co najmniej jeden elektron.

Istotną rzeczą dla wyładowań w dielektryku gazowym ma tzw. Krzywa Paschena:

Charakterystyka Paschena mówi że napięcie przeskoku jest zależne od iloczynu ciśnienia powietrza i odległości między elektrodami. Gdy mimo zmian ciśnienia i odległości między elektronowej ich iloczyn jest stały to napięcie przeskoku się nie zmienia.

Krzywa Paschena zachowuje swój charakterystyczny przebieg, niezależnie od rodzaju gazu. Przy stałej odległości między elektrodami wzrost wytrzymałości elektrycznej , można osiągnąć dwoma sposobami: stosując w układzie bardzo niskie ciśnienie (próżnie), lub przeciwni ciśnienie wysokie.

Schemat typowego układu do wykonywania pomiarów i badań wysokonapięciowych:

2.Tabela pomiarów

Odległość	Okkładziny		Kulki		ostrza
[cm]	przebicie[V]	ulot[V]	przebicie	ulot[V]	przebicie	ulot[V]
1	46	------------	80	80	24	------------
1,5	66	61	84	84	------------	------------
2	98	78	94	84	42	------------
2,5	138	80	86	80	------------	------------
3	164	80	140	100	70	------------
4	------------	------------	------------	------------	110	94
5	------------	------------	------------	------------	122	94

Wykresy zależności U_p ,U_u w funkcji odległości między elektrodami

4.Wnioski

Z charakterystyki wynika, że napięcie przebicia (Up) wzrasta wraz ze wzrostem odległości miedzy elektrodami.

Napięcie te jest najmniejsze dla układu ostrze – ostrze, czyli dla pola niejednorodnego.

Z wykresu można również zaobserwować, iż najbardziej wytrzymałymi są układy płaskie, w których nie występuje wyładowanie niezupełne, oraz w których wartość napięcia przebicia bardzo szybko wzrasta wraz ze wzrostem odległości.

Układ kula – kula dla niewielkich odległości wytwarza pole jednorodne i zachowuje się podobnie jak układ płyta – płyta, ale przy zwiększeniu odległości układ zaczyna wytwarzać pole niejednorodne i charakterystyka przechodzi w zbliżoną do układu ostrze – ostrze.