POLITECHNIKA RADOMSKA IM. K. PUŁASKIEGO

Wydział Transportu

Elektrotechnika

Wytrzymałość powietrza

WYKONAŁ:

Pawłowski Sławomir - gr.33B

Radom 2000

Wytrzymałość powietrza

Granicę wytrzymałości elektrycznej gazu określa przeskok iskrowy, który rozwija znaczny prąd przy jednoczesnym obniżeniu napięcia do małej części najwyższej jego wartości tuż przed przeskokiem. Napięcie przeskoku jest, więc miarą wytrzymałości elektrycznej gazu. W powietrzu występują obce jony, które pojawiają się na skutek istnienia promieniowania kosmicznego, rentgenowskiego, ultrafioletowego oraz promieniowania γ. Fotony powodują jonizację cząsteczek gazu lub wyzwalają elektrony z katody.

Wytrzymałość udarowa.

Wytrzymałość udarowa powietrza jest często większa od wytrzymałości statycznej wskutek opóźnienia przeskoku. Opóźnienie to może mieć duże znaczenie w warunkach udarowych. W opóźnieniu przeskoku możne odróżnić dwa składniki: opóźnienie przypadkowe, czas rozwoju wyładowania. Pierwszy składnik jest związany z dostarczeniem pierwszego elektronu. Drugi składnik, niezależny od przypadkowości, jest związany z ograniczonymi prędkościami lawiny elektronowej i kanału plazmowego. Czas rozwoju maleje bardzo szybko przy wzroście napięcia udarowego. Zapłon iskry udarowej powoduje strome obniżenie napięcia udarowego do drobnej części napięcia przeskoku. Mówimy o zwieraniu udaru przez iskrę lub o ucięciu udaru. Przypadkowość opóźnienia przeskoku sprawia, że nie ma tak ostrej granicy wytrzymałości w warunkach udarowych jak w warunkach statycznych. Czasy do przeskoku iskry często mierzy się dla różnych układów. Chodzi o wyciągnięcie wniosków, co do przeskoku w przypadku współpracy wielu elementów. Często spotykanym przykładem jest zagadnienie, czy iskiernik ochronny zadziała przed wystąpieniem iskry na powierzchni współpracującego izolatora. W tym celu wykonuje się badania przy udarach o różnych wartościach szczytowych U_max i mierzy się za każdym razem czas τ do przeskoku. Często wprowadza się współczynnik udarowy jako stosunek udarowego napięcia przeskoku do napięcia statycznego. Przy silniejszym wpływie biegunowości najwłaściwiej jest uwzględniać tutaj wytrzymałość udarową i wytrzymałość przy napięciu stałym tego samego znaku. Przy udarach o stromym czole, przy których przeskok i ucięcie udaru występuje w czasie trwania czoła, mamy do czynienia z małymi opóźnieniami przeskoku τ. Współczynnik udarowy może przedstawiać się zupełnie inaczej w układach z elektrodami silnie zaostrzonymi, np. z pierścieniami ulotowymi. W warunkach statycznych, jak wiadomo, obfity ulot poprzez ładunki przestrzenne znacznie podwyższa napięcie przeskoku; w warunkach udarowych podwyższenia tego nie ma, ponieważ ładunki przestrzenne nie zdążą się uformować. Dlatego też współczynnik udarowy może być tu mniejszy od 1.

Wytrzymałość elektryczna powietrza przy wielkich częstotliwościach.

Warunki przy napięciu sinusoidalnym przemiennym wielkiej częstotliwości różnią się zarówno od warunku przy małej częstotliwości, jak i od udarowych. Wysokie wierzchołki napięcia powtarzają się szybko po sobie, tak, że zapoczątkowanie wyładowania w jednym półokresie może ułatwić rozwój wyładowania w następnym półokresie. Niejednostajność pola elektrycznego przy wielkich częstotliwościach znacznie silniej zmniejsza wytrzymałość elektryczną niż przy małych. Np. dla układu ostrzowego wytrzymałość przy częstotliwości 10 kHz różni się już wyraźnie od statycznej, przy 100 kHz jest mniejsza o kilkadziesiąt procent, a przy 1000 kHz kilkakrotnie mniejsza. W przypadku pola elektrycznego jednostajnego wpływ częstotliwości jest znacznie mniejszy. Np. dla iskiernika kulkowego przy odstępie 0,2 cm napięcie przeskoku do ok. 20kHz prawie nie zmienia się, następnie maleje osiągając minimum przy ok. 3 MHz równe ok. 80% wytrzymałości statycznej, dalej rośnie i przy 100 MHz osiąga wartość powyżej 150% wytrzymałości statycznej.

Wytrzymałość statyczna powietrza.

Wytrzymałość statyczna jest pojęciem, które występuje przy napięciu stałym lub też przy napięciach przemiennych o niezbyt wielkiej częstotliwości, np. o częstotliwości technicznej. Wytrzymałość statyczna zależy od drogi przeskoku i od rozkładu pola elektrycznego. Przy powiększaniu drogi przeskoku a, napięcie przeskoku U_p rośnie, lecz słabiej niż proporcjonalnie; średnie naprężenie przeskoku U_p/a maleje. W polu elektrycznym silnie niejednostajnym (układ typu ostrzowego) napięcie przeskoku U_p oraz średnie naprężenie przeskoku U_p/a są mniejsze niż w polu elektrycznym bardziej jednostajne, a maksymalne naprężenie większe. Te wielkie naprężenia występują tylko na nieznacznym odcinku drogi w pobliżu elektrowni, dalej naprężenia są stosunkowo niewielkie i dlatego napięcie przeskoku dla układu ostrzowego wypada niżej.

Pole elektryczne umiarkowane niejednostajne występuje np. w iskiernikach kulkowych, przy niezbyt wielkich stosunkach odległości do promienia elektrod a/r. iskierników takich używa się do pomiaru wysokiego napięcia. W polu silnie niejednostajnym (elektrody typu ostrzowego) wpływ symetrii lub nie symetrii napięciowej i biegunowości jest znacznie wyraźniejszy. Z polem elektrycznym silnie niejednostajnym ma się do czynienia w większości rozwiązań technicznych. Układy te są typu ostrze - ostrze albo ostrze - płyta. W polu silnie niejednostajnym nie symetrycznym wpływ biegunowości na napięcie przeskoku jest przeciwny niż przy umiarkowanej niejednostajności pola elektrycznego. Napięcie przeskoku jest niższe, przy znaku dodatnim na elektrodzie ostrzowej nie uziemionej. Szczególnie duże różnice obserwuje się w układzie ostrze - płyta gdzie nie symetria pola elektrycznego jest znacznie większa niż w układzie ostrze - ostrze uziemione. Stosunek przeskoku o różnych znakach może wynosić nawet około 2. Wyjątkowe własności występują w niektórych układach z elektrodami bardzo silnie zaostrzonymi, gdy przeskok iskrowy rozwija się z bardzo silnego ulotu. Ulot taki zwiększa napięcie przeskoku. Przyczyną tego jest działanie ładunków przestrzennych ulotu, które łagodzą niejednostajność pola elektrycznego. Silnie zaostrzone elektrody służą do podwyższania statycznego napięcia zapłonu U_p, ale napięcie początkowe ulotu U₀ wypada bardzo niskie.

Wpływ warunków atmosferycznych na wytrzymałość elektryczną powietrza.

Wytrzymałość powietrza zależy od jego wilgotności. Zwykle wyraża się napięcie przeskoku w funkcji wilgotności bezwzględnej
, podawanej w gr/m³ powietrza. Wartość
można obliczyć po zmierzeniu wilgotności względnej ϕ za pomocą psychrometru stosując wzór

gdzie
oznacza wilgotność bezwzględną powietrza w stanie nasycenia zależną od temperatury.

Wilgotność powietrza ma wielki wpływ na napięcie przeskoku w układach o dużej niejednostajności pola elektrycznego, a mały wpływ w polu jednostajnym.

Wilgotność w postaci pary wodnej zwiększa wytrzymałość elektryczną powietrza. Kropelki pary wychwytują elektrony i hamują wyładowania.

Zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej powietrza występuje regularnie na większych wysokościach nad poziomem morza. Mniejszemu ciśnieniu towarzyszy mniejsza gęstość powietrza.

1

2

---