Газообразные диэлектрики

ВВЕДЕНИЕ

Основными свойствами газов как диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и удельное сопротивление. Кроме того, часто важны теплофизические свойства, особенно теплопроводность.Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, и, как показано в Лекции 2, основным фактором, вызывающим электропроводность в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Существуют три характерные области вольт-амперных характеристик - омическое поведение, насыщение и экспоненциальный рост.Диэлектрические потери незначительны и должны учитываться только в третьей зоне. Диэлектрическая прочность газов мала по сравнению с диэлектрической прочностью жидких и твердых диэлектриков и в значительной степени зависит от внешних условий и природы газа. Диэлектрические свойства различных газов обычно сравнивают при стандартных условиях (н.у.). Эти условия следующие: давление 1 атм, температура 20°C, электроды образуют однородное поле, площадь поверхности 1 см2 и расстояние между электродами 1 см. электрическая прочность в воздухе составляет 30 кВ/см при н.у.м.Максимальная рабочая температура газа определяется распадом молекул газа (характерным для сложных молекул) или увеличением электропроводности вследствие ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепла до перехода из диэлектрического в резистивное состояние. Во втором варианте характерная температура составляет тысячу градусов Цельсия или более.РАЗДЕЛ 1. ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИВ различных электроустановках газы используются в качестве изоляторов. Из газов особое значение имеет воздух. Воздух окружает большинство электроприборов и является частью их системы изоляции.Газы характеризуются низкой диэлектрической проницаемостью, высоким удельным сопротивлением, очень низким углом диэлектрических потерь и низким электрическим сопротивлением по сравнению с жидкостями и твердыми диэлектриками при нормальных температурах и давлениях, в отсутствие сильных внешних ионизирующих веществ, низких напряжений и ионизации пыли. [1, c. 67]Преимущества газов включают восстановление электрического сопротивления в случае отказа и отсутствие деградации со временем.Особенностью газовых диэлектриков является то, что их нельзя использовать для фиксации компонентов устройства, и они применяются в комбинации с твердыми диэлектриками. Диэлектрическая прочность газов может быть улучшена путем повышения давления. Следует также помнить, что электроотрицательные газы увеличивают значение Епр. Электроотрицательные газы - это газы, обладающие способностью захватывать свободные электроны и превращаться в относительно неподвижные отрицательные ионы молекул. Удаление подвижных электронов из промежутков между отверстиями электродов предотвращает возникновение разряда, что приводит к увеличению напряжения пробоя. Электроотрицательные газы - это ряд газов с электроотрицательными атомами в молекулах, например, фтор, хлор и бром. Газы, используемые для электрической изоляции, должны отвечать следующим требованиям (a) быть химически инертными и не реагировать с материалами, в которых они используются; (b) быть химически стабильными и не выделять химически активных веществ при разряде (ионизации); (c) иметь низкую температуру распада и использоваться при более высоких давлениях (температура распада увеличивается с ростом давления); (f) иметь высокую теплопроводность и быть дешевле при использовании при более низких температурах; (e). Кроме того, газы должны быть невоспламеняющимися, взрывобезопасными и нетоксичными, а также не должны ионизироваться с образованием токсичных соединений.Газы имеют очень низкую плотность из-за больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов пренебрежимо мала и близка к единице.Поляризация газов может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа поляризованы, но электронная поляризация имеет большое значение даже для поляризованных газов. Чем больше радиус молекулы, тем больше диэлектрическая проницаемость газа. [2, c. 132]Диэлектрическая проницаемость газа увеличивается с ростом давления. Для воздуха диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях составляет 1,00058; при давлении 4 МПа диэлектрическая проницаемость увеличивается до 1,0218. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газовГазРадиус молекулы, н мПоказатель преломления nn2Диэлектрическая проницаемость еrГелийВодородКислородАргонАзотУглекислый газЭтилен0,1120,1350,1820,1830,1910,2300,2781,0000351,000141,000271,0002751,000301,000501,000651,0000701,000281,000541,000551,000601,001001,001301,0000721,000271,000551,000561,000601,000961,00138Газы имеют очень низкую электропроводность при низких напряженностях поля. В газах ток не может возникнуть без присутствия ионов и свободных электронов. Ионизация молекул нейтрального газа может быть вызвана внешними факторами или столкновениями между заряженными частицами и молекулами.Внешние факторы, вызывающие ионизацию газов, включают рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, космические лучи, радиоактивное излучение и тепловое воздействие (сильное нагревание газов). Электрическая проводимость газа под действием внешнего ионизирующего агента называется несамостоятельной проводимостью.С другой стороны, электрическая проводимость может быть вызвана ионами, образовавшимися в результате столкновений между заряженными частицами и молекулами газа, особенно в инертных газах. Ионизация пыли в газе происходит, когда кинетическая энергия заряженных частиц под воздействием электрического поля достигает достаточно высокого значения. Электропроводность газа, вызванная ионизацией пыли, называется электропроводностью. [3, c. 87]В слабых электрических полях ионизация пыли не происходит, и самопроводимость не может быть обнаружена. Когда газ ионизируется под воздействием внешних факторов, молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы. В то же время некоторые положительные ионы соединяются с отрицательными частицами, образуя нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией.Рекомбинация предотвращает бесконечное увеличение числа ионов в газе, объясняя, почему постоянная концентрация ионов достигается вскоре после воздействия внешнего ионизирующего агента.Предположим, что между двумя параллельными электродами с приложенным потенциалом находится ионизированный газ. Под воздействием напряжения ионы перемещаются и создают ток в цепи. Некоторые ионы нейтрализуются на электродах, а другие теряются в результате рекомбинации.Начальная часть кривой до Un соответствует области, где закон Ома выполняется, если имеется достаточный запас положительных и отрицательных ионов, и может быть принят постоянным. Поток пропорционален напряжению газовой колонки. По мере увеличения приложенного напряжения ионы устремляются к электродам, поскольку они не успевают рекомбинировать, и при определенном напряжении все ионы, образующиеся в газовой колонке, разряжаются на электродах. Очевидно, что при дальнейшем увеличении напряжения увеличение тока, соответствующее горизонтальной части кривой, уже не произойдет.Ток насыщения достигается при нормальных условиях на воздухе, при расстоянии 10 мм между электродами и напряженности поля около 0,6 В/м. Фактическое значение плотности тока насыщения в воздухе очень мало, около 10-15 А/м2. Поэтому воздух можно считать очень совершенным диэлектриком, если не возникают условия резонанса.Даже если напряжение увеличивается, ток остается постоянным до тех пор, пока существует ионизация, вызванная внешними факторами. В случае ионизации возникает независимая проводимость, и ток снова начинает расти с увеличением напряжения.Диэлектрические потери - это энергия, рассеиваемая в единицу времени в диэлектрике, когда к нему прикладывается электрическое поле, вызывающее нагрев диэлектрика.Потери энергии в диэлектрике наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку материал имеет ток утечки из-за проводимости. При постоянном напряжении, когда отсутствует периодическая поляризация, качество материала характеризуется значениями объемного и поверхностного удельного сопротивления. При переменных напряжениях необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, поскольку в этом случае, помимо сквозной проводимости, возникает несколько дополнительных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике.Диэлектрические потери в газах при напряженности поля ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации газа, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать практически как идеальный диэлектрик.Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газа при его поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.Хорошо известно, что все газы обладают очень малой электропроводностью, поэтому угол диэлектрических потерь будет пренебрежимо мал, особенно на высоких частотах.Удельное сопротивление объемных газов составляет порядка 1016 Ом-м, диэлектрическая проницаемость близка к единице, а тангенс угла диэлектрических потерь на промышленной частоте составляет менее 410-8.При высоких напряжениях и неоднородных полях, когда напряженность поля в некоторых местах превышает определенное критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают ионизационные потери. Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь с ростом напряжения указывает на наличие газовых включений в твердой изоляции (рис. 2). Кривую tgd=f(U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизационные потери в газах возрастают настолько, что явление ионизации может привести к нагреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U0. Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, часто приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и оксидов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения. [4, c. 203]В высоковольтных линиях потери на ионизацию воздуха у поверхности проводников (явление короны) снижают эффективность линии.Диэлектрик, подвергаясь воздействию электрического поля, теряет свои свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает определенное критическое значение. Это явление называется диэлектрическим пробоем или нарушением диэлектрической прочности. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется напряжением пробоя, а соответствующее значение напряженности поля - диэлектрической проницаемостью.Напряжение пробоя обозначается Uпр и обычно измеряется в киловольтах.Внешней изоляцией во многих типах электрических конструкций в трансформаторах, конденсаторах и линиях электропередач является воздух.Диэлектрическая прочность воздуха при нормальных условиях мала по сравнению с диэлектрической прочностью большинства жидких и твердых диэлектриков.Для данного давления и температуры газа ударная ионизация начинается при данной напряженности поля, поскольку q и l являются константами для каждого газа. Эта напряженность поля E называется начальной напряженностью поля.В некоторых газах, например, кислороде, углекислом газе, парах воды, отделенный электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней и превращает ее в электроотрицательный ион. Присоединение, "приклеивание" электрона к нейтральной молекуле приводит в таких случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что энергия молекулы, захватившей дополнительный электрон, оказывается ниже энергии нейтральной молекулы на определенную величину, которая называется энергией сродства электрона. В разных газах он варьируется от 0,75 до 4,5 эВ.Инертные газы аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и азот не производят отрицательных ионов. При разряде катионы O+, O2+, N+, N2+ и No+ в воздухе составляют Формирование.Казалось бы, положительные ионы, как и электроны, рассеянные полем столкновения с нейтральными частицами газа, должны вызывать ионизацию газа. В действительности, при энергиях до сотен и тысяч электрон-вольт столкновения положительных ионов с частицами газа не приводят непосредственно к ионизации газа. Такое различие в воздействии на частицы газа электронами и положительными ионами объясняется тем, что электроны обладают большей подвижностью, чем ионы. Кроме того, разделенные электроны отталкиваются от электронов, сталкивающихся с частицами газа, и, наоборот, притягиваются положительными ионами. Это также влияет на то, что свободный путь длиннее для электронов, чем для ионов. Когда положительные ионы, ускоренные полем, сталкиваются с нейтральными электронами окружающей среды, условия для распада электронов неблагоприятны, поскольку энергия, отдаваемая электронам при ударе, мала из-за большой разницы в массе. Ионизация при столкновениях между ионами и частицами газа зависит от химических свойств сталкивающихся частиц, поскольку столкновения являются основополагающим актом химической реакции. При электрическом разряде в газе, расположенном между металлическими электродами, положительные ионы высвобождают электроны из металла и ударяются о поверхность катода.В некоторых случаях электроны, ускоренные электрическим полем, не ионизируют молекулу, но могут перевести ее в возбужденное состояние, как описано выше. В следующее мгновение эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в виде излучения и испускает фотоны. Фотон поглощается другой молекулой, которая может одновременно ионизировать его. Эта внутренняя фотонная ионизация газа из-за высокой скорости распространения излучения также приводит к особенно быстрому росту канала с увеличением проводимости газа в разрядном промежутке.Начало волновой линии исходит от атома, который возбуждается от удара электрона и испускает фотон. Двигаясь со скоростью 3*108 м/с, фотоны преодолевают лавину и ионизируют частицы газа в точке, соответствующей краю волновой линии. Электроны, распадающиеся здесь, попадают на анод, создавая новую лавину, намного опережающую первую. На следующем этапе отдельные лавины на негативной пленке, перекрывающие друг друга, сливаются, образуя непрерывный канал ионизированного газа.Одновременно с ростом пленки, направленной от катода к аноду, начинается формирование противоположного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного на катод. Положительная полоса - это канал плазмы газового разряда.Объясните это более подробно. Электронная лавина оставляет на своем пути большое количество вновь образованных положительных ионов, концентрация которых особенно высока там, где лавина претерпела максимальный рост, т.е. образование положительных ионов. Около альпинизма. Когда концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 1012 ионов в 1 см3), во-первых, обнаруживается сильная фотонная ионизация; во-вторых, электроны, испускаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются к головке положительной пленки положительным пространственным зарядом; в-третьих, ионизация вызывает заполнение положительным зарядом пространства Концентрация положительных ионов при насыщении электронами превращает эту область в газоразрядную проводящую плазму. Под воздействием положительных ионов образуется катодная точка, которая излучает электроны к катоду. [5, c. 208]В результате этих процессов происходит фракционирование газа. Обычно разделение газа происходит практически мгновенно: продолжительность подготовки газовой сепарации с длиной зазора 1 см составляет 10-7-10-8 секунд. Если продолжительность воздействия напряжения слишком мала, напряжение пробоя увеличивается.Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором происходит пробой.Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле.Однородное поле может быть получено между плоскими электродами с закругленными краями и между шарами большого диаметра с небольшим расстоянием между ними. В таких полях пробой происходит почти мгновенно, в зависимости от температуры и давления газа, при достижении строго определенного напряжения. Между электродами возникает искра, которая при достаточной мощности источника превращается в дугу. Появление искр на известном расстоянии между электродами используется для определения величины приложенного напряжения (измерение высокого напряжения с помощью шарового источника).Зависимость электрического сопротивления воздуха (амплитудного значения) от расстояния между электродами имеет следующий вид. При малых расстояниях между электродами происходит значительное увеличение электрического сопротивления. Это явление объясняется сложностью формирования разрядов на малых расстояниях между электродами. В нормальных условиях, т.е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °C, электрическое сопротивление воздуха на расстоянии между электродами 1 см составляет около 3,2 МВ/м и достигает 70 МВ/м при h = 5 мкм.При более высоком давлении и соответственно более высокой плотности газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше, что уменьшает свободный путь электронов, и, как следует из формулы, напряженность поля должна быть увеличена, чтобы произошло разложение.При снижении давления первоначально происходит падение электрической напряженности, как видно на рисунке 4, но когда давление достигает определенного предела, ниже атмосферного, и разряд достигает высоких степеней, электрическая напряженность снова начинает расти. Это увеличение объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема в условиях высокого вакуума и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. В высоком вакууме пробой можно объяснить явлением выброса электронов с поверхности электрода (холодная эмиссия).В этом случае диэлектрическая прочность достигает очень высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электрода. Высокая диэлектрическая прочность вакуума используется в технике для создания вакуумных конденсаторов для высоких напряжений на высоких частотах, высокое давление используется в качестве изоляции в высоковольтном оборудовании, а также при производстве высоковольтных кабелей и конденсаторов.Пробой газов в неоднородном поле существенно отличается от вышеупомянутых закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя точками, точкой и плоскостью, между проводами линий электропередач, между сферическими поверхностями, когда расстояние между ними превышает радиус сферы, и т.д.Особенностью разложения газа в неоднородном поле является частичный разряд в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений с последующим переходом короны в искровой разряд и дугу возрастающего напряжения.В случае плоских игольчатых электродов и положительной полярности иглы разрыв происходит при более низких напряжениях, чем в случае обратной полярности. Это можно объяснить следующим образом. Ионизация газа при любой полярности электрода происходит в той области иглы, где напряженность электрического поля максимальна, и поэтому вблизи иглы образуется "облако" положительно заряженных молекулярных ионов с сорванными с орбит электронами. Когда полярность на игле положительная, этот пространственный заряд служит продолжением иглы и уменьшает длину разрядного промежутка. Положительный пространственный заряд отталкивается и удаляется от положительно заряженной иглы, но более подвижные электроны, вызывающие процесс ионизации, все же успевают его вернуть, т.е. получается картина "прорастания" положительного пространственного заряда, связанного с иглой, к отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой происходит при более низком напряжении, чем в случае противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует отрицательно поляризованную иглу от положительно заряженной плоскости.
ВЫВОДЫ

Газовые диэлектрики широко используются в производстве высоковольтных устройств (выключатели с воздушной и газовой изоляцией, ограничители перенапряжений и т.д.), а воздух также применяется в большом количестве электроустановок и является основной изолирующей средой в линиях электропередачи. Во многих электрических и радиоэлектронных устройствах и приборах используются различные газообразные компоненты, где важны не только общие физические свойства газов, но и их электрические характеристики.Сжатый воздух используется на подстанциях для приведения в действие пневматических приводов выключателей и разъединителей. В воздушных выключателях сжатый воздух используется для гашения электрической дуги и вентиляции внутренних полостей выключателя для удаления оседающей на них влаги. В силовых выключателях с воздухонаполненным сепаратором, а также в силовых выключателях серий VBB, VNB и т.д. сжатый воздух служит основной изолирующей средой между главными контактами силового выключателя в положении отключения.При других условиях использование газовой изоляции позволяет увеличить пропускную способность по току на 25% и допустимую температуру медных контактов до 90°C (75°C на воздухе) благодаря химической стойкости, негорючести, пожаробезопасности и более высокой охлаждающей способности газовой изоляции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коробейников С.М. Диэлектрические материалы: Учебное пособие, Новосибирск, НГТУ, 2020, 67 с. 2. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 2015. - 304 с. 3. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2021. - 448 с. 4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - Учебник для ВУЗов, 3-е издание, перераб. М.: Машиностроение, 2020, 528 с. 5. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электронике. - М.: Радио и связь, 2019. - 288 с.