P1060778 (2)

I

Ćwiczenie LWN 4

BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI POWIETRZA PRZY NAPIĘCIU PRZEMIENNYM

4.1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest obserwacja różnych form wyładowań elektrycznych oraz poznanie wpływu kształtu geometrycznego elektrod i cienkich przegród w przestrzeni między-elektrodowej na wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych powietrznych. Zakres ćwj. czenia obejmuje pomiary napięcia początkowego wyładowań i napięć przeskoku w różnych układach elektrod, przy napięciu przemiennym.

4.2. Wiadomości podstawowe i dane pomocnicze

Powietrze jest dobrym i jednocześnie najtańszym materiałem izolacyjnym. W technicznych układach izolacyjnych powietrze może występować razem z innymi dielektrykami, tworząc układy uwarstwione (szeregowo, równolegle lub ukośnie względem linii pola elektrycznego) Może też stanowić izolację jednomateriałową i wówczas mówi się o układzie izolacyjnym powietrznym.

Wytrzymałość elektryczna układu powietrznego jest ograniczona napięciem, przy którym wystąpi wyładowanie zupełne w postaci przeskoku lub łuku elektrycznego. Pojawienie się wyładowania zupełnego jest jednoznaczne z powstaniem zwarcia międzyelektrodowego o małej rezystancji, co prowadzi do przepływu prądu zwarciowego w obwodzie.

Przepływ prądu w układzie powietrznym występuje również przy napięciach niższych od napięcia przeskoku, ale jego natężenie jest wówczas nieporównywalnie mniejsze od prądu zwarciowego. Natężenie prądu w funkcji przyłożonego napięcia wzrasta w sposób zróżnicowany, co jest wyrazem pojawiania się kolejnych form wyładowań niezupełnych (rys. 4.1).

Przy napięciach z przedziału odpowiadającego punktom O-A-B na rys. 4.1, źródłem swobodnych nośników ładunków w przestrzeni międzyelektrodowej są wyłącznie czynniki zewnętrzne, np. jonizatory występujące w środowisku naturalnym*\ Przepływ prądu odbyw-

1

In,

O

Rys. 4.1. Przykład charakterystyki napięciowo-prądowej wyładowana elektrycznego w po-

wietrzu

Ins - prąd nasycenia (gęstość prądu jest rzędu 1(T^W A/m²*; U: - napięcie jonizacji; U„ -napięcie początkowe wyładowań samodzielnych; U - napięcie przeskoku

się w wyniku dryfu tych ładunków do elektrod zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego. Wzrost natężenia prądu w funkcji napięcia jest tu możliwy tylko do określonego poziomu.

Dalszy wzrost natężenia prądu obserwuje się dopiero po pczetaoczemn napięcia jonizacji Uj (odcięta punktu 8 na rys. 4.1). Przy tym napięciu nośniki ładunku mogą uzyskać w połu elektrycznym energię kinetyczną krytyczną, wystarczającą do spowodowania jonizacji zderzeniowej i zapoczątkowania rozwoju lawin elektronowych. Mimo to wyładowanie ma nadal charakter niesamodzielny, tzn. w przypadku usunięcia działania jcnizatorów zewnętrznych przepływ prądu zaniknie.

Zmiana charakteru wyładowania na samodzielne następuje przy napięciu t/₀ (odcięta punktu C), wyższym od napięcia jonizacji i nazywanym napięciem początkowym wyładowań samodzielnych. Warunki powstawania wyładowań samodzielnych formułuje śę zależnie od rodzaju mechanizmu rozwoju wyładowania działającego w rozważanym układzie Przykładowo dla zakresu obowiązywania mechanizmu lawinowego Townsenda uzyskuje się warunek

')

W jednostce czasu powstaje w powietrzu stała liczbą nośników Ufynku Gęaofi eażw i dek-tronów w powietrzu atmosferycznym jest rzędu llr+Kr w 1 car.