Электрический пробой. Пробой газообразных диэлектриков

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые характеристики полей вокруг проводников. Зарядим электричеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у которого есть острие или ребро (например, в форме, изображенной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пластине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность
означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Фиг. 6.14. Электрическое поле у острого края проводника очень велико.

Вообще в тех местах проводника, в которых радиус кривизны меньше, поле оказывается сильнее. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим комбинацию из большой и маленькой сфер, соединенных проводом, как показано на фиг. 6.15. Сам провод не будет сильно влиять на внешние поля; его дело - уравнять потенциалы сфер. Возле какого шара поле окажется более напряженным? Если радиус левого шара а, а заряд Q, то его потенциал примерно равен

(Конечно, наличие одного шара скажется на распределении зарядов на другом, так что на самом деле ни на одном из них заряды не будут распределены симметрично. Но если нас интересует лишь примерная величина поля, то можно пользоваться формулой для потенциала сферического заряда.) Если меньший шар радиусом b обладает зарядом q, то его потенциал примерно равен

Но j 1 =j 2 , так что

С другой стороны, поле у поверхности [см. уравнение (5.8)] пропорционально поверхностной плотности заряда, которая в свою очередь пропорциональна суммарному заряду, деленному на квадрат радиуса. Получается, что

Фиг. 6.15. Поле остроконечного предмета можно приближенно считать полем двух сфер одинакового потенциала.

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля обратно пропорциональны радиусам.

Этот результат с технической точки зрения очень важен, потому что в воздухе возникает пробой, если поле чересчур велико. Какой-нибудь свободный заряд в воздухе (электрон или ион) ускоряется этим полем, и если оно очень сильное, то заряд может набрать до столкновения с атомом такую скорость, что вышибет из атома новый электрон. В итоге появляется все больше и больше ионов. Их движение и составляет искру, или разряд. Если вам требуется зарядить тело до высокого потенциала так, чтобы оно не разрядилось в воздух, вы должны быть уверены, что поверхность тела гладкая, что на нем нет мест, где поле чересчур велико.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Фейнмановские лекции по физике

Этим выпуском мы начинаем печатание перевода второго тома лекций, прочитанных р. фейнманом студентам второго курса. «фейнмановские лекции по физике», вы будете понемногу приобщаться к живой, развивающейся науке....

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Прямой провод
В качестве первого примера снова вычислим поле прямого провода, которое мы находили в предыдущем параграфе, пользуясь уравнением (14.2) и соображениями симметрии. Возьмем длинный прямой провод рад

Длинный соленоид
Еще пример. Рассмотрим опять бесконечно длинный соленоид с током по окружности, равным пI на единицу длины. (Мы считаем, что имеется n витков проволоки на единицу длины, несущих каж

Поле маленькой петли; магнитный диполь
Воспользуемся методом векторного потенциала, чтобы найти магнитное поле маленькой петли с током. Как обычно, под словом «маленькая» мы просто подразумеваем, что нас интересуют поля только на больш

Векторный потенциал цепи
Нас часто интересует магнитное поле, создаваемое цепью проводов, в которой диаметр провода очень мал по сравнению с размерами всей системы. В таких случаях мы можем упростить уравнения для магнитн

Закон Био-Савара
В ходе изучения электростатики мы нашли, что электрическ

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые характеристики полей вокруг проводников. Зарядим электричеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у которого есть острие или ребро (например, в форме, изображенной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пластине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Вообще в тех местах проводника, в которых радиус кривизны меньше, поле оказывается сильнее. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим комбинацию из большой и маленькой сфер, соединенных проводом, как показано на фиг. 6.15. Сам провод не будет сильно влиять на внешние поля; его дело — уравнять потенциалы сфер. Возле какого шара поле окажется более напряженным? Если радиус левого шара а, а заряд Q ,

(Конечно, наличие одного шара скажется на распределении зарядов на другом, так что на самом деле ни на одном из них заряды не будут распределены симметрично. Но если нас интересует лишь примерная величина поля, то можно пользоваться формулой для потенциала сферического заряда.) Если меньший шар радиусом b обладает зарядом q , то его потенциал примерно равен

Но φ 1 =φ 2 так что

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля обратно пропорциональны радиусам.

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые характеристики полей вокруг проводников. Зарядим электричеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у которого есть острие или ребро (например, в форме, изображенной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пластине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Фиг. 6.14. Электрическое поле у острого края проводника очень велико.

Но j1=j2, так что

Фиг. 6.15. Поле остроконечного предмета можно приближенно считать полем двух сфер одинакового потенциала.

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля обратно пропорциональны радиусам.
Этот результат с технической точки зрения очень важен, потому что в воздухе возникает пробой, если поле чересчур велико. Какой-нибудь свободный заряд в воздухе (электрон или ион) ускоряется этим полем, и если оно очень сильное, то заряд может набрать до столкновения с атомом такую скорость, что вышибет из атома новый электрон. В итоге появляется все больше и больше ионов. Их движение и составляет искру, или разряд. Если вам требуется зарядить тело до высокого потенциала так, чтобы оно не разрядилось в воздух, вы должны быть уверены, что поверхность тела гладкая, что на нем нет мест, где поле чересчур велико.

В газах наблюдается только электрический пробой.

В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий, которые упрощенно можно описать так:

1.молекула ионизируется, испуская электрон, таким образом, двигаются (разгоняясь в поле) два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы - в результате наблюдается ударная ионизация приводящая к возникновению электронной лавины;

2.молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения - фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация приводящая к возникновению канала с повышенной проводимостью (стримера).

Фотоны, двигаясь со скоростью света (3 10 8 м/с), опережают электронные лавины и «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.

Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример - цепочку электронных лавин, слившихся в единое целое. Также образуется поток из положительных ионов, который двигается в обратном направлении, образуя электроположительный стример. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы. Электропроводность этого канала очень высока, и по нему устремляется ток короткого замыкания I кз .

На рисунке 5.9 представлена схема, поясняющая развитие электрического пробоя, где лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены, ударом электрона и вслед за тем испустили фотон.

Рис. 5.9. Схематическое изображение электронной лавины и образования электроотрицательного стримера при пробое газа

Образование плазменного газоразрядного канала (рисунок 5.10) фактически и есть пробой газов. Возникновение I кз - следствие пробоя. В зависимости от величины I кз пробой проявляется в виде искры или электрической дуги.

Рис. 5.10. Схематическое изображение образования газоразрядного плазменного канала

Для пробоя газа в постоянном однородном поле характерна зависимость Е пр от давления (рисунок 5.11.а). При значениях давления выше нормального газ сжимается и, следовательно, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона. Поэтому для выполнения условия возможности пробоя необходимо повысить напряженность электрического поля Е . При разряжении газа средняя длина свободного пробега электрона возрастает, и при этом электроны могут приобрести добавочную энергию даже при меньшем значении напряженности поля. В области высокого вакуума Е пр возрастает, так как в результате сильного разряжения газа уменьшается число молекул в единице объема и снижается вероятность столкновения электронов с молекулами. Давление 0.1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению.

Е пр воздуха в однородном поле растет, как показано на рисунке 5.11 б), с уменьшением расстояния между электродами из-за уменьшения вероятности столкновения электронов с молекулами газа. Рост электрической прочности в данном случае вызван трудностью формирования разряда из-за малого расстояния между электродами.

Пробивное напряжение газов существенно снижается в неоднородных полях, например, для воздуха при d =1 см от 30 кВ до 9 кВ.

Рис. 5.11. Зависимость электрической прочности газа от давления

Закон Пашена . Закон Пашена показывает зависимость U np газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами (рис. 5.12). Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения U np .мин в зависимости от произведения Ph . Для газов, состоящих из двух- и многоатомных молекул, U пр.мин лежит в пределах от 280 В (Н 2) до 420 В (СО 2). На частоте 50 Гц у неионизированного воздуха в однородном электрическом поле U пр.мин ~ 326 В. У инертных газов (газов, состоящих из одноатомных молекул) U пр.мин , ниже, чем у газов из многоатомных молекул (например, у чистого аргона U пр.мин ≈195 В, а у аргона с примесью паров натрия ~ 95 В, у неона с парами натрия ~ 85 В). Поэтому для снижения U пр.мин инертных газов, используемых в газоразрядных приборах, электроды изготавливают (или хотя бы их покрывают) из металлов с присадками щелочных или щелочноземельных металлов, обладающих малой работой выхода электронов.

В неоднородном поле на U пр влияет также полярность электродов. Так, для электродов с малым радиусом кривизны U пр при положительной полярности оказываются ниже, чем при отрицательной. Это связано с образованием положительного объемного заряда у острия в результате развития коронного разряда, что приводит к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка.

Рис. 5.12. Зависимость пробивного напряжения U пр.макс воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h

При достаточно высоких частотах свободные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Ионы с большой массой за время полупериода колебаний не успевают сместиться на значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет, приводя к появлению так называемого «объемного заряда». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электрическая прочность газов уменьшается (рисунок 5.13). Дальнейший рост частоты электрического поля приводит к тому, что за время полупериода не только положительные ионы не успевают сместиться на значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полупериода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих один мегагерц, электрическая прочность газов возрастает.

Рис. 5.13. Зависимость электрической прочности газа от частоты электрического поля

Пробою газа (воздуха) в неоднородном поле предшествует ко p онный разряд или корона, являющийся неполным пробоем. Корона возникает при напряжении U к , которое ниже, чем U np (U k < U np ), вблизи электрода с малым радиусом кривизны, на заостренных металлических кp аях и т.п.; она наблюдается в виде прерывистого голубоватого свечения и сопровождается характерным звуком (жужжанием или потрескиванием). С повышением напряжения коронный разряд переходит в искровой и затем при достаточной мощности источника напряжения - в дуговой разряд.

В случае электродов типа стержень-плоскость , создающих резко неоднородное поле, U пр газов будет наименьшим при положительной полярности стержня и наибольшим - при отрицательной полярности стержня (рисунок 5.14). Объясняется это следующим. Как отмечено выше, пробою воздушного промежутка предшествует коронный разряд. Образующиеся при этом электроны, имея большую (в ~ 1000 раз) подвижность, чем положительные ионы, быстро уходят из коронирующего слоя, и возникает объемный положительный заряд. Образовавшийся около острия электрода объемный положительный заряд по-разному влияет на величину напряжения воздушного промежутка. Если на электроде в виде стержня будет положительный потенциал, то объемный положительный заряд приведет к увеличению напряженности поля во внешней области короны, и пробой произойдет при более низком значении U пр . Если на стержне будет отрицательный потенциал, тогда объемный положительный заряд уменьшит напряженность поля во внешней области короны, и пробой воздушного промежутка наступит при большем значении U пр. С уменьшением длительности импульса (повышением частоты напряжения) различие между значениями U пр в зависимости от полярности стержня уменьшается. Величина U пр при пробое газа при высоких частотах в неоднородном поле (в отличие от пробоя в однородном поле) значительно ниже, чем U пр при постоянном напряжении или напряжении промышленной частоты.

Рис. 5.14. Зависимость пробивного напряжения U пр воздуха от расстояния h

между электродами (поле неоднородное)

В неоднородных полях с увеличением влажности воздуха пробивное напряжение U пр возрастает. Это можно объяснить повышенной способностью молекул воды захватывать свободные электроны и превращаться в малоподвижные отрицательные ионы. В результате число ионизирующих электронов в межэлектродном пространстве уменьшается, поэтому разрядное напряжение" возрастает. Приближенно можно считать, что при увеличении абсолютной влажности воздуха в два раза U np при частоте 50 Гц возрастает на 10%.

Поверхностный разряд. Если электрическое поле в межэлектродном пространстве однородное, то пробой может произойти в любом месте и при самом высоком напряжении. Если же в однородное поле внести твердый диэлектрик, как это показано на рисунке 5.15.а, то электрический разряд произойдет в воздухе по поверхности твердого диэлектрика и, при прочих равных условиях, при более низком напряжении. В данном случае разрядное напряжение U p будет зависеть от ряда факторов и, в первую очередь, от физико-химических свойств твердого диэлектрика, состояния поверхности образца и расположения ее относительно силовых линий поля, влажности воздуха, формы и частоты приложенного поля, плотности прилегания электродов к твердому диэлектрику и расстояния между ними.

Рис. 5.15 Распределение линий вектора Е в электроизоляционной конструкции, состоящей из твердого диэлектрика (1) и воздуха (2):

а - силовые линии поля направлены параллельно,

б - перпендикулярно относительно границы раздела диэлектриков

Кривые зависимости U p от расстояния L между электродами в однородном и неоднородном электрическом полях в зависимости от природы твердого диэлектрика (величины диэлектрической проницаемости ε и удельной поверхностной электропроводности g s ) представлены на рисунке 5.16. Из рисунка видно, что с увеличением расстояния между электродами U p возрастает неодинаково у твердых диэлектриков различной химической природы. Самое высокое U p наблюдается при разряде вдоль поверхности неполярных твердых диэлектриков молекулярного строения. У полярных диэлектриков U p ниже, чем у неполярных, и тем ниже, чем больше ε и g s твердого диэлектрика и меньше его краевой угол смачивания. У диэлектриков ионного строения (см. рисунок 5.16. а), кривые 3 и 4), которые содержат ионы щелочных металлов и поэтому имеют более высокую поверхностную электропроводность, U p еще ниже, чем у полярных диэлектриков молекулярного строения. Особенно значительно U p снижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика (кривая 5). В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.

Установлено, что на поверхности твердого диэлектрика образуется сплошная или прерывистая пленка сконденсировавшейся из воздуха влаги толщиной от мономолекулярного слоя и более, которая нарушает однородность поля, и поэтому U p снижается. В данном случае электрический разряд фактически происходит в неоднородном поле. При этом чем больше электропроводность водяной пленки, тем ниже U p .

Рис. 5.16. Зависимость разрядного напряжения U p в воздухе по поверхности диэлектриков от расстояния L между электродами в однородном поле (а) и неоднородном поле (б) и от величины диэлектрической проницаемости ε(I ) и удельной поверхностной электропроводности γ s (II ) твердого диэлектрика (в):

а, б - диаметр образцов 50 мм; 1 - парафин, 2 - бакелит, 3 - фарфор, 4 - стекло, 5 - фарфор и стекло при плохом контакте электродов, 6 - воздушный промежуток;

в - электроды плоскопараллельные с закругленными краями, диаметр образцов 45 мм, высота 30 мм, Т=20°С; У - ПТФЭ, 2- ПЭ, 3- ПС, 4- ПММА, 5- винипласт, б - древесина, 7- гетинакс, 8- воздушный промежуток

Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения U p . На снижение U p оказывают влияние и другие факторы. Известно, что в воздухе всегда имеются свободные положительные и отрицательные ионы. Поэтому на поверхности твердых диэлектриков даже в очень сухом воздухе образуется слой ионов одного знака, а над ним, в воздухе - слой ионов противоположного знака. Под действием приложенного напряжения эти ионы вместе с ионами воды смещаются к противоположно заряженным электродам, участвуя в формировании объемных зарядов. На величину образующихся у электродов объемных зарядов влияет не только поверхностная электропроводность, но и длительность воздействия напряжения. При коротких импульсах и высоких частотах (ƒ> 50 кГц) успевает сместиться малое число ионов, поэтому электрическое поле искажается слабо, и, следовательно, U p снижается незначительно.

Страница 27 из 62

Отсутствие частичных разрядов (ЧР, ПЧР), а также пробоев в воздухе и вдоль поверхности на высокой частоте, по сравнению с их отсутствием на промышленной частоте, является более важным для изоляционных конструкций. Возникновение ЧР приводит к образованию радиопомех, а также к перерастанию ЧР в крайне опасную для аппаратуры факельную форму разряда.
Напряжение образования ПЧР в удобной для аналитического определения форме можно вычислить по формуле

Рис. 3.5. Зависимость напряжения пробоя от расстояния между электродами шар-плоскость (кривые 1.. .3) и гиперболоид-плоскость (кривые 4 и 5) на частоте 50 и 1000 кГц
1- r= 1,4 мм; 2 - r=3 мм; 3 - r=5,5 мм; 4 - r=2 мм; 5 - r= 10 мм
где I - расстояние между электродами; r0- наименьший радиус кривизны электродов; kH - коэффициент неравномерности электрического поля; с - коэффициент, зависящий от формы импульса напряжения и коэффициента неравномерности электрического поля; δ - относительная плотность воздуха.
Необходимость исследования пробоя в воздухе на высоких частотах, помимо общеизвестных причин, возникает для конструкций с твердой изоляцией в случае применения некороностойких полимерных материалов (ПЭ, ПП, Ф-4 и др) с целью создания системы изоляции, гарантирующей отсутствие пробоя вдоль поверхности тела изолятора.
С повышением частоты наблюдается снижение разрядных напряжений по сравнению с постоянным напряжением и напряжениями промышленной частоты.
Из рис. 3.5 виден характер изменения напряжения с ростом межэлектродного расстояния и изменением радиусов кривизны электродов.
Зависимость напряжения пробоя от частоты для указанных электродов четко выявляется только у кривых 1 и 2, где напряжение на частоте 50 кГц примерно на 6% больше, чем на частоте 1000 кГц. На других разрядных промежутках различие составляет 1 ...2% и четко фиксироваться не может. Это снижение связано с накоплением объемного заряда положительных ионов в разрядном промежутке, который искажает электрическое поле и увеличивает его в активной области около катода.
Работами группы А. А. Жукова найдено, что образование на высоких частотах токов отрицательных и положительных ионов при низких значениях напряжения свидетельствует о начале формирования объемного заряда до значений предпробойных напряжений и только перед пробоем начинается его быстрый рост. При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.

< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф> 0·
Таблица 3.5

В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7 ... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф > 0.
Таблица 3.5

В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

Для практических целей можно воспользоваться значениями разрядных напряжений в нормальных условиях для коэффициента неравномерности электрического поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблица 3.6

Для слабо неравномерных электрических полей имеет место монотонное уменьшение разрядного напряжения с ростом частоты.
Таблица 3.7

Коэффициенты неравномерности электрического поля и напряженности образования ЧР можно определить из уравнений, приведенных в табл. 3.7, где I - расстояние между электродами;

r - радиус кривизны; р = r/l; δ - относительная плотность воздуха.
Для экспериментальных данных разрядных напряжений между электродами шар-шар, шар-плоскость, гиперболоид вращения - гиперболоид вращения, гиперболоид вращения - плоскость и для коаксиальных систем были определены с использованием программы AXIAL значения максимальных напряжений, которые сравнивались со значениями, определенными по Бенингу для частот до 20 МГц.
Таблица 3.8
Разрядные характеристики для электродов шар - шар (амплитудные значения)

Характеристики, приведенные в табл. 3.8... 3.10, могут быть использованы для приближенных расчетов значений k и l конструкций с близкими геометриями.
Рассчитанные по табл. 3.7 значения kн для межэлектродных расстояний 5... 20 мм соответственно равны 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.

Таблица 3.9
Разрядные характеристики для электродов шар - плоскость при r0 = 10 мм
(амплитудные значения)

Анализируя экспериментальные значения пробоя воздушных промежутков шар-шар радиусом 10 мм (табл. 3.8), можно наблюдать, что при одинаковой форме электродов с ростом изоляционного промежутка, помимо известного снижения Еср, существенно возрастает значение Еmах.
Значения величин Emаx, рассчитанных по Бенингу и по Пику, имеют значительные расхождения. Разница значений увеличивается с ростом расстояния между электродами, что характерно и для электродов шар-плоскость (табл. 3-9).
Таблица 3.10
Разрядные характеристики для электродов шар - плоскость при r= 3 мм и f= 5-103..1-106 Гц (амплитудные значения)

Величины Етax, определенные по программе AXIAL и по Бенингу, практически не различаются и могут быть использованы для определения изоляционных промежутков и выбора геометрии электродов.

Сравнение табл. 3.8 и 3.9 показывает, что при одинаковых радиусах кривизны шаров и расстояниях между электродами большие значения напряжений пробоя имеют место для электродов шар-шар, что, очевидно, вызвано более равномерным электрическим полем и, следовательно, более равномерным распределением заряда вдоль поверхности электрода. Из сравнения также видно, что при расстояниях более 15 мм большие значения Етах не свидетельствуют о большем значении напряжения пробоя. Поэтому предварительный выбор формы и размеров изоляционных промежутков целесообразно производить не по значению Етах, а по к. Значения Етах не являются абсолютным критерием для выбора системы изоляции, в то время как уменьшение k всегда обеспечивает существенные преимущества по сравнению с неравномерными полями.
Для электродов шар-плоскость радиусом 3 мм (табл. 3.10) напряжения пробоя для диапазона частот 5 103... 106 Гц близки по своим значениям.
Значения Етах в 1,5 раза выше, чем напряженность для электродов типа шара радиусом 10 мм, но напряженность пробоя меньше в 1,5... 2 раза. Следовательно, при равных межэлектродных промежутках значении для шара радиусом 3 мм почти в 2 раза превосходят k для шара радиусом 10 мм. Это является дополнительным свидетельством универсальности выбора геометрии поля с учетом коэффициента kH.
Разрядные характеристики (амплитудные значения) для различных расстояний между гиперболоидами вращения и r0= 10 мм приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11

Таблица 3.12

Таблица 3.13

Для электродов гиперболоид вращения - плоскость и гиперболоид - гиперболоид (табл. 3.11) с радиусами кривизны 10мм характерно снижение значений Еср и Етах с увеличением расстояния между электродами и соответственно с ростом kH. Более высокие значения Uпр, а соответственно и Етах, Еср, при равных радиусах кривизны и расстояниях между электродами имеют место для электродов гиперболоид - гиперболоид.
Исходя из данных, приведенных в табл. 3.8... 3.11, следует, что при выборе высокочастотных изоляционных промежутков с электродами равного радиуса кривизны целесообразно применять их в следующем порядке: гиперболоид-гиперболоид, шар-шар, шар-плоскость, гиперболоид-плоскость, которые обеспечивают большую электрическую прочность при прочих равных условиях.
При выборе тех же изоляционных промежутков, исходя из напряжения образования ЧР, преимущества будут снижаться для электродов шар-плоскость, шар-шар, гиперболоид-гиперболоид, гиперболоид - плоскость.
Разрядные характеристики для коаксиальной системы с наружным диаметром 40 мм приведены в табл. 3.12.
Как видно из табл. 3.12, для коаксиальной системы характерны те же зависимости, что и для других элементов - рост напряжения пробоя с уменьшением kH и снижение его с повышением частоты.
Разрядные характеристики коаксиальной системы для различных значений внутреннего и внешнего радиусов кривизны на частоте 100 кГц (амплитудные значения) приведены в табл. 3.13.
Данные табл. 3.13 свидетельствуют о том, что с увеличением радиуса внешнего электрода при неизменном значении радиуса кривизны внутреннего, т. е. С ростом межэлектродного расстояния, возрастают напряжение разряда и максимальная напряженность электрического поля. При постоянном расстоянии между электродами и росте радиусов внутреннего и внешнего электродов, т. е. с уменьшением коэффициента неравномерности электрического поля, имеют место увеличение разрядного напряжения и уменьшение значения максимальной напряженности.
Факельный, или одноэлектродный, разряд является разновидностью высокочастотного разряда и возникает при частотах в несколько мегагерц «а участках электрода с максимальной напряженностью и максимальными градиентами температурного поля. Ионизация и повышение температуры воздуха в этих участках приводит к появлению столба ионизированного воздуха, который подымается, принимая форму факела. Образовавшийся факел (табл. 3.14) передвигается вместе с движением воздуха, разрушая изоляцию и другие элементы конструкции, так как его температура превышает 2000° С.
Попадая в область пониженной напряженности электрического поля, факел гаснет.

Наравне с влиянием на факельный разряд температуры ионизированного воздуха, на пороговое напряжение и критическую частоту могут влиять теплопроводность проводника, площадь его поверхности охлаждения, климатические факторы (влажность, запыленность).
Создание условий, исключающих создание на изоляционной конструкции факельного разряда, встречает трудности вследствие влияния на его образование случайных факторов, приводящих к возникновению локальных напряженностей или температурных излучений, скоплению пыли или влаги, образованию коротких замыканий или чрезмерных перенапряжений, например, при коммутациях. Наблюдались случаи образования факельного разряда при появлении насекомых на высокочастотных проводах.
Наличие факельного разряда недопустимо из-за опасности перегорания проводов, значительных потерь энергии и снижения формы передаваемого сигнала.

Снижение напряжения пробоя вдоль поверхности изоляции до 20... 25% с ростом частоты для конструкций со слабо неравномерным полем наблюдается уже при 10...20 кГц. Более раннее, по сравнению с пробоем воздушных промежутков, достижение первой критической частоты можно объяснить повышением напряженности электрического поля на границе диэлектрика, присутствием макро- и микронеоднородностей на поверхности вследствие недостаточной чистоты обработки поверхности диэлектрика, оседания пыли, влаги и т. п. Уменьшение напряжения поверхностного, по сравнению с воздушным, разряда обусловлено также ростом емкостных токов и процессом объемной ионизации воздуха с увеличением диэлектрической проницаемости твердой изоляции. Отсюда вытекают особые требования к снижению емкости, предъявляемые к высокочастотным изоляционным конструкциям - снижению площади арматуры, увеличению изоляционного промежутка, снижению диэлектрической проницаемости материала и др.
Проведенные группой А. А. Жукова испытания цилиндрических образцов из миполона, фторопласта-4 и стеатита марки Б-17, помещенных между электродами Роговского в диапазоне 1-5 МГц, показали:

по сравнению с аналогичным воздушным промежутком, имеющим пробой при напряжении 9,4 кВ, напряжение пробоя вдоль поверхности миполона составило 8,5 кВ, для Ф-4 - составило 8,75 кВ, а для Б-17 - снизилось до 5 кВ;
в отличие от пробоя в воздухе после пробоя вдоль поверхности при отсутствии высокочастотного напряжения наблюдается медленное (до 5 мин) спадание токов положительных и отрицательных ионов.

Предполагается, что причина этих явлений - накапливающийся на поверхности диэлектрика заряд. Поверхностный пробой происходит при наличии переменного высокочастотного поля и постоянной составляющей объемного заряда, не учитываемого измерительной аппаратурой.