11

Wytrzymałość dielektryczna gazów

Powstawanie i zanikanie elektronów i jonów w gazach

Gaz niezjonizowany składa się z cząsteczek obojętnych elektrycznie i jest teoretycznie

idealnym dielektrykiem. Przewodnictwo prądu powstaje z chwilą pojawienia się jonów

i elektronów przyciąganych lub odpychanych przez elektrody układu izolacyjnego,

wytwarzającego pole elektryczne w gazie.

Cząsteczki gazu obojętnego znajdują się w ciągłym, nieuporządkowanym ruchu

termicznym zderzając się elastycznie i zmieniając wciąż kierunki i prędkości ruchu. Dla

wszystkich cząsteczek będących jednocześnie w ruchu istnieje pewna prędkość średnia ν,

zależna od masy cząsteczki m i temperatury bezwzględnej T

ν = 3k T

m

k = 1,38 * 10-23 Ws/ K - stała Boltzmana ; T - temperatura bezwzględna w K.

W trakcie ruchów termicznych cząsteczki przebiegają określone drogi pomiędzy

kolejnymi zderzeniami, nazywane drogami swobodnymi. Dla wszystkich cząsteczek

odbywających jednoczesne ruchy istnieje określona średnia droga swobodna λ zależna od

promienia cząsteczki r, temperatury gazu T i ciśnienia p.

λπ

= kT

r p2

Gaz staje się zjonizowany, gdy ulegają jonizacji cząsteczki obojętne. Jonizacja polega

na odrywaniu elektronów z orbit atomów zdysocjonowanych lub wchodzących w cząsteczki

gazu. Po oderwaniu elektronu cząsteczka tworzy jon dodatni o ładunku elektrycznym

przeciwnym niż ujemny ładunek elektronu, wynoszący e = 1,602 ⋅ 10-19 C. Masa elektronu

wynosi me = 9,108 ⋅ 10-28 g. Masa jonu dodatniego jest wielokrotnie większa i to tym bardziej

im cięższa i większa jest zjonizowana cząsteczka. Najmniejszy jon dodatni utworzony przez

zjonizowanie atomu wodoru ma masę 1,6727 ⋅ 10-24 g czyli przeszło 1800 razy większą od

masy elektronu. W niektórych gazach zwanych elektroujemnymi swobodne elektrony

przechwytywane są przez cząsteczki obojętne i tworzą jony ujemne.

Jony i elektrony znajdujące się w gazie złożonym z cząsteczek obojętnych, tworzą

z nimi mieszaninę gazów i wykonują również ruchy termiczne. Przy powstaniu wewnątrz

gazu pola elektrycznego o określonym kierunku linii natężeń E i określonej biegunowości

12

elektrod jony dodatnie nabierają dodatkowego ruchu skierowanego ku elektrodzie ujemnej,

elektrony zaś ku dodatniej. Prędkość ruchu skierowanego υ

υ = b E

zależy od natężenia pola E oraz od ruchliwości b jonów i elektronów. Ruchliwość b zależy

od masy i średnicy cząstek. Ze względu na małe wymiary i duży ładunek elektrony mają

w stosunku do jonów wielokrotnie większą ruchliwość.

Podstawowym rodzajem jonizacji gazu jest jonizacja zderzeniowa. Powstaje ona na

skutek dużej energii ruchów cząstek wewnątrz gazu, przez co ich zderzenia stają się

nieelastyczne wybijając elektrony z orbit cząsteczek obojętnych. Szczególną rolę pełnią tu

swobodne elektrony, które znacznie szybciej od jonów nabywają od przyłożonego pola

elektrycznego dodatkową energię. W czasie zderzeń energia może być za mała aby nastąpiło

wyrwanie elektronu, ale może być wystarczająca do wzbudzenia atomu. Elektron w atomie

zostaje przesunięty na orbitę dalszą od jądra. Wzbudzenie jest zwykle krótkotrwałe i elektron

powraca na poprzednią orbitę oddając energię W w postaci kwantu promieniowania

o częstotliwości

fW

h=

gdzie h = 6,625 ⋅ 10-34 J⋅s - stała Plancka

Jonizacja zderzeniowa wywołana ruchem cieplnym nosi nazwę jonizacji termicznej.

Ważną przyczyną jonizacji gazu jest fotojonizacja. Polega ona na wytrącaniu

elektronów

z atomów naświetlanych promieniowaniem elektromagnetycznym o dużej energii.

Fotojonizacja może powstać w gazie albo pod działaniem obcych źródeł promieniowania,

albo też wskutek promieniowania atomów samego gazu, w którym zanikają procesy

wzbudzenia wywołane przez inne czynniki.

Jony lub swobodne elektrony mogą znajdować się w gazie na skutek działania na niego

zewnętrznych źródeł jonizacji jak np. ciał radioaktywnych, promieni kosmicznych itp.

Elektrony mogą być również emitowane do gazu z elektrod pod wpływem ciepła

(termoemisja), promieniowania (fotoemisja) lub silnego pola (emisja powierzchniowa).

Procesom jonizacyjnym przeciwdziałają procesy odwrotne zwane dejonizacyjnymi.

Chłodzenie gazu spowalnia ruchy termiczne. Dyfuzja cząstek naładowanych redukuje liczbę

jonów i elektronów między elektrodami. Kolejną przyczyną jest rekombinacja polegająca na

ponownym łączeniu się elektronów i jonów dodatnich w cząsteczki obojętne.

13

Jeżeli efekt procesów jonizacyjnych jest w równowadze z efektem dejonizacji, to liczba

nośników ładunku ustala się. Przykładem może służyć otaczające powietrze, w którym

powstaje

i zanika w 1 cm3 co sekundę 8 par jonów ustalając w normalnych warunkach równowagę stale

zjonizowanych cząstek w liczbie rzędu 103.

Wyładowania elektryczne w gazach

Wyładowania w gazach powstają wówczas, gdy liczba zjonizowanych cząsteczek gazu

jest na tyle duża, że gaz staje się przewodzący i pod wpływem pola elektrycznego

przepuszcza prąd pomiędzy elektrodami układu izolacyjnego. Forma wyładowań zależy od

wartości prądu i stopnia zjonizowania gazu.

W układach o polu jednorodnym wyładowania występują zwykle wzdłuż całej drogi

łączącej elektrody. Takie wyładowania noszą nazwę wyładowań zupełnych. Gdy

wyładowanie przy polu niejednorodnym występuje tylko na części drogi, nazywane jest

wyładowaniem niezupełnym. Dalsza klasyfikacja dotyczy zwykle widocznych form

wyładowań. Wyładowania zupełne w miarę wzrostu prądu przyjmować mogą formy iskry lub

łuku. Przy obniżonych ciśnieniach obserwuje się wyładowania jarzeniowe.

Wyładowania niezupełne, gdy zajmują nieznaczny obszar w polach niejednorodnych,

mają postać świetlenia. Gdy obszar zajęty wyładowaniem i prąd w układzie wzrasta,

świetlenia przechodzą w snopienia o postaci iskier pokrywających część przestrzeni

pomiędzy elektrodami.

Wyładowanie w polu jednorodnym

Wyładowania w polu jednorodnym przy niedużej odległości elektrod płaskich opisuje

teoria Townsenda. Teoria ta zakłada, że źródłem elektronów zapoczątkowujących

wyładowanie jest katoda wysyłająca pod wpływem obcego jonizator no elektronów w ciągu

sekundy. Elektrony te ulegają rozpraszaniu wskutek dyfuzji, lecz po przyłożeniu do elektrod

napięcia nabierają ruchu skierowanego do anody. W miarę podwyższania napięcia coraz

większa liczba elektronów osiąga anodę i prąd w układzie wzrasta. Przy napięciu U1

wszystkie elektrony w liczbie no dobiegają do anody i pomimo wzrostu napięcia prąd nie

wzrasta ponad wartość io. Przy dalszym wzroście napięcia i natężenia pola wzrasta prędkość

elektronów. Począwszy od napięcia Uj, zwanego napięciem jonizacji, elektrony zderzają się

z cząsteczkami gazu w sposób nie elastyczny tworząc nowe jony i liczba elektronów wzrasta.

Nowe elektrony biorą również

się w gazie lawina elektronowa

Przy założeniu, że jeden elektron powoduje w gazi

1 cm, to przy no wybiegających z katody dociera do anody po przej

elektronów powodujących przepływ pr

Współczynnik α zwany jest

natężenia pola i gęstości gazu

Przy dalszym wzroście nat

układzie wzrasta szybciej niżby to wynikało ze wzoru. Przyczyn

na katodzie. Polegają one na tym,

towarzyszy dodatkowa emisja

pod wpływem uderzeń jonów dodatnich (

jonizowanego gazu oraz dyfuzji do katody wzbudzonych cz

Współczynnik γ nazywany jest

Ponieważ pod wpływem pola ka

zderzeń jonizujących, z katody wy

zaczynają brać udział w tworzeniu nowych lawin. W takim razie do anody dociera w ci

sekundy

14

ą również udział w zderzeniach wytwarzając następne, przez co tworzy

lawina elektronowa i prąd w układzie wzrasta zdecydowanie.

że jeden elektron powoduje w gazie α zderzeń jonizuj

ących z katody dociera do anody po przejściu drogi

n n ea oa= α ,

ących przepływ prądu

i i eoa= α

zwany jest współczynnikiem jonizacji. Zależy on od rodzaju gazu,

ści gazu δ.

ście natężenia pola, począwszy od wartości napię

układzie wzrasta szybciej niżby to wynikało ze wzoru. Przyczyną tego są tzw.

a tym, że każdemu zderzeniu jonizującemu elektronu z gazem

towarzyszy dodatkowa emisja γ nowych elektronów z katody. Elektrony te mog

ń jonów dodatnich (γi), fotoemisji wywołanej promieniowaniem (

uzji do katody wzbudzonych cząsteczek gazu (

γ γ γ γ= + +i p m

nazywany jest współczynnikiem jonizacji wtórnej.

pod wpływem pola każdy elektron na drodze do anody a

cych, z katody wyzwoli się dodatkowo γ(eαa - 1) nowych elektronów, które

udział w tworzeniu nowych lawin. W takim razie do anody dociera w ci

ą ępne, przez co tworzy

ń jonizujących na drodze

ściu drogi a

y on od rodzaju gazu,

ści napięcia U2, prąd w

ą ą tzw. procesy wtórne

ącemu elektronu z gazem

Elektrony te mogą powstawać

), fotoemisji wywołanej promieniowaniem (γp)

steczek gazu (γm) tak, że

.

a wywołuje eαa - 1

1) nowych elektronów, które

udział w tworzeniu nowych lawin. W takim razie do anody dociera w ciągu

15

( )n ne

ea o

a

a=

− −

α

αγ1 1

elektronów tworząc prąd

( )i ie

eo

a

a=

− −

α

αγ1 1

W miarę wzrostu natężenia pola rosną α i γ tak, że przy pewnej wartości napięcia

Uo, nazywanego napięciem początkowym

( )γ αe a − =1 1

Warunek określony powyższym równaniem nazywany jest kryterium przebicia.

Równanie to należy rozumieć następująco: po osiągnięciu napięcia Uo jeden elektron

wychodzący początkowo z katody, powodując lawinę na drodze a, wywołuje emisję z katody

(procesy wtórne) co najmniej jednego nowego elektronu, który może go zastąpić w procesie

przewodzenia prądu przez gaz. Przewodzenie to nie zniknie nawet po usunięciu źródła

początkowych elektronów i nosi nazwę wyładowania samodzielnego. Gdy liczba nowych

elektronów wyzwalanych z katody jest mniejsza od liczby elektronów początkowych,

przewodzenie prądu może istnieć tylko przy udziale początkowego jonizatora katody i nosi

nazwę wyładowania niesamodzielnego. Stan taki zachodzi dla napięć niższych od Uo. Przy

spełnieniu warunku ostatniego równania prąd w układzie izolacyjnym jest ograniczony

głównie impedancją źródła napięcia i wyładowanie samodzielne, w zależności od wartości

prądu, przyjmuje postać jarzenia, łuku lub iskry. W każdym przypadku układ izolacyjny

o polu jednorodnym traktuje się jako przebity i napięcie początkowe Uo jest równoznaczne

z napięciem przebicia gazu.

Prawo Paschena

Rachunek matematyczny oraz eksperymenty wykazują, że napięcie początkowe Uo

jest funkcją iloczynu gęstości gazu δ i odstępu między elektrodami, a przy stałej

temperaturze - funkcją iloczynu ciśnienia p gazu i odstępu a między elektrodami

Uo = f ( p·a )

Zależność ta jest przedstawiona wykreślnie na rysunku poniżej i jest znana pod nazwą

prawa Paschena.

Krzywa Paschena

Minimum krzywej odpowiada minimalnej energii niezb

wyładowania samodzielnego czyli kryterium przeskoku.

Minimalne napięcie pocz

Gaz

powietrze

SF6

N2

H2

O2

CO2

He

Ne

Na (pary)

Prawo Paschena ujmuje wa

rozkładach pól, mające określone napi

odtwarzane w zmniejszonej skali przy ci

16

Minimum krzywej odpowiada minimalnej energii niezbędnej do spełnienia warunku

wyładowania samodzielnego czyli kryterium przeskoku.

ęcie początkowe Uo dla różnych gazów

( pa )min [ Pa⋅m ] Uo [ V

0,73 352

0,35 507

0,86 240

1,40 230

0,93 450

0,68 420

5,32 155

5,32 245

0,07 320

Prawo Paschena ujmuje ważną zasadę podobieństwa. Układy izolacyjne o okre

ące określone napięcie przebicia Uo przy pewnym ciś

odtwarzane w zmniejszonej skali przy ciśnieniu podwyższonym w tej samej skali.

dnej do spełnienia warunku

V ]

. Układy izolacyjne o określonych

przy pewnym ciśnieniu, mogą być

szonym w tej samej skali.

Mechanizm kanałowy wyładowa

Teoria Townsenda ogranicza si

tłumacząc przyczyn powstawania wyładowa

przestrzennie kanale, często o nieregularnym kształcie oraz nie wyja

niejednorodnych, a zwłaszcza krótkich czasów rozwoju wyładowa

podali Loeb, Meek i Raether formułuj

teorią strimerów.

Zgodnie z tą teorią po osią

rozpoczyna się przy katodzie i wydłu

Lawina tworzy wskutek dyfuzji kroplowaty kształt. Czoło lawiny (2) stanowi

pozostawiając w ogonie (1) znacznie mniej ruchliwe jony dodatnie. Lawina odks

powodując wzrost natężenia przed i za sob

Zmiana rozkładu pola powodowana przez lawin

Po dojściu czoła lawiny do anody elektrony ulegaj

pozostawiając w przestrzeni sto

dodatkowe przy jednoczesnym promieniowaniu atomów wzbudzonych, co wywołuje wtórne

lawiny wokół stożka w pobliż

największe. Wtórne lawiny dochodz

ich jony dodatnie wzmacniają

wytwarza się kanał plazmowy

przesuwa się natomiast ku

postępuje bardzo energicznie i kanał plazmowy wydłu

17

Mechanizm kanałowy wyładowań w gazach

Townsenda ogranicza się do ilościowego ujęcia rozwoju wyładowania nie

c przyczyn powstawania wyładowań w większej przestrzeni w ograniczonym

ęsto o nieregularnym kształcie oraz nie wyjaśnia wyładowa

, a zwłaszcza krótkich czasów rozwoju wyładowań. Ostateczny opis zjawisk

podali Loeb, Meek i Raether formułując teorię mechanizmu kanałowego

ą po osiągnięciu w układzie płaskim napięcia Uo lawina elektro

przy katodzie i wydłuża się w stronę anody z prędkością

Lawina tworzy wskutek dyfuzji kroplowaty kształt. Czoło lawiny (2) stanowi

c w ogonie (1) znacznie mniej ruchliwe jony dodatnie. Lawina odks

ężenia przed i za sobą, osłabiając je wewnątrz zajmowanej przestrzeni.

Zmiana rozkładu pola powodowana przez lawinę

ciu czoła lawiny do anody elektrony ulegają przez ni

c w przestrzeni stożek ładunków dodatnich. Stożek ten wytwarza silne pole

dodatkowe przy jednoczesnym promieniowaniu atomów wzbudzonych, co wywołuje wtórne

ka w pobliżu czoła lawiny, gdzie wzmocnienie pola głównego jest

ksze. Wtórne lawiny dochodzą do stożka oddając mu elektrony posiadane na czole, za

ich jony dodatnie wzmacniają ładunek przestrzenny lawiny pierwotnej. Od strony anody

kanał plazmowy, zwany dlatego anodowym, obszar podwyższonego pola sto

natomiast ku katodzie powodując nowe lawiny wtórne. Mechanizm ten

puje bardzo energicznie i kanał plazmowy wydłuża się ku katodzie z pr

cia rozwoju wyładowania nie

kszej przestrzeni w ograniczonym

śnia wyładowań w polach

ń. Ostateczny opis zjawisk

mechanizmu kanałowego nazywaną często

lawina elektronowa

ę ścią rzędu 107 cm/s.

Lawina tworzy wskutek dyfuzji kroplowaty kształt. Czoło lawiny (2) stanowią elektrony,

c w ogonie (1) znacznie mniej ruchliwe jony dodatnie. Lawina odkształca pole

trz zajmowanej przestrzeni.

ą przez nią wchłonięciu

ek ten wytwarza silne pole

dodatkowe przy jednoczesnym promieniowaniu atomów wzbudzonych, co wywołuje wtórne

u czoła lawiny, gdzie wzmocnienie pola głównego jest

c mu elektrony posiadane na czole, zaś

ładunek przestrzenny lawiny pierwotnej. Od strony anody

ższonego pola stożka

c nowe lawiny wtórne. Mechanizm ten

ku katodzie z prędkością rzędu

108 cm/s. Po osiągnięciu katody kanał tworzy iskr

elektrodami przepływa prąd.

Rozwój kanału plazmowego anodowego

W przypadku przyłożenia do elektrod układu napi

tworzenia kanału plazmowego mo

z katody może powodować przed czołem wskutek silnego promieniowania now

wtórną. Elektrony lawiny pierwotnej dochodz

będą kanał plazmowy. Poniewa

następne lawiny, pomiędzy elektrodami tworzy

lawin składowych. Mechanizm taki tłumaczy obserwowany cz

wyładowania lub stwierdzoną wię

Rozwój kanału przez łączenie kolejnych lawin

18

ęciu katody kanał tworzy iskrę o skończonej średnicy, a pomi

kanału plazmowego anodowego

żenia do elektrod układu napięcia wyższego od

tworzenia kanału plazmowego może być nieco inny, Początkowa lawina wychodz

ć przed czołem wskutek silnego promieniowania now

. Elektrony lawiny pierwotnej dochodząc do dodatniego końca lawiny wtórnej tworz

kanał plazmowy. Ponieważ jednocześnie przed lawiną wtórną powstawa

ędzy elektrodami tworzyć się będzie kanał plazmowy przez ł

lawin składowych. Mechanizm taki tłumaczy obserwowany często załamany kształt

a lub stwierdzoną większą prędkość tworzenia się kanału.

ączenie kolejnych lawin

średnicy, a pomiędzy

ższego od Uo, mechanizm

ątkowa lawina wychodząca

przed czołem wskutek silnego promieniowania nową lawinę

ńca lawiny wtórnej tworzyć

ą ą powstawać mogą

dzie kanał plazmowy przez łączenie

ęsto załamany kształt

Wyładowania w gazach w polu niejednorodnym

Jako przykład pola skrajnie niejednorodnego słu

W układzie tym największe n

ostrza wyładowania w gazie rozpoczynaj

Gdy ostrze jest ujemne

jednorodnym. Ze względu na to,

lawina dochodzi tylko do pewnej odległo

płaskim przetwarza się wstecz w kanał plazmowy. Poniewa

końcu kanału od strony anody powstaje du

promieniowania daje początek nowej lawinie. Ta z kolei przebiega równie

odległości, gdyż natrafia na zmniejszaj

znowu wstecz ku katodzie w nowy odci

końcowi pierwotnego kanału. Łą

Szereg powstających kolejno lawin i nowych kanałów przedłu

skokami ku anodzie tworząc

wyładowaniem wstępnym, gdyż

anody, z końca kanału wyciągane s

przy intensywnym świeceniu ku katodzie tworz

wyładowaniem głównym.

Rozwój kanału w układzie niejednorodnym ostrze

a) przy ostrzu ujemnym

19

Wyładowania w gazach w polu niejednorodnym

Jako przykład pola skrajnie niejednorodnego służyć może układ ostrze

aprężenia występują przy ostrzu i bez względu na biegunowo

ostrza wyładowania w gazie rozpoczynają się od jego końca.

ujemne początkowa lawina rozwija się od ostrza podobnie jak polu

ędu na to, że przy wzroście odległości od ostrza natęż

lawina dochodzi tylko do pewnej odległości, po czym w sposób podobny jak w układzie

ę wstecz w kanał plazmowy. Ponieważ kanał jest silnie przewodz

cu kanału od strony anody powstaje duże natężenie pola, które przy współudziale

ątek nowej lawinie. Ta z kolei przebiega również

natrafia na zmniejszające się natężenie pola. Druga lawina przetwarza si

znowu wstecz ku katodzie w nowy odcinek kanału plazmowego przedłu

cowi pierwotnego kanału. Łącząc się z nim tworzy kanał o większej długo

ących kolejno lawin i nowych kanałów przedłuża kanał plazmowy

ąc katodowy kanał plazmowy. Kanał taki nazywany jest cz

pnym, gdyż przy większych odstępach elektrod, po doj

ca kanału wyciągane są energicznie elektrony i obszar wyciągania przesuwa si

świeceniu ku katodzie tworząc kanał o większej przewodno

Rozwój kanału w układzie niejednorodnym ostrze - płyta

b) przy ostrzu dodatnim

że układ ostrze - płyta.

przy ostrzu i bez względu na biegunowość

od ostrza podobnie jak polu

ci od ostrza natężenie pola maleje,

ci, po czym w sposób podobny jak w układzie

kanał jest silnie przewodzący, na

enie pola, które przy współudziale

tek nowej lawinie. Ta z kolei przebiega również tylko do pewnej

enie pola. Druga lawina przetwarza się

nek kanału plazmowego przedłużającego się ku

ększej długości.

cych kolejno lawin i nowych kanałów przedłuża kanał plazmowy

ał taki nazywany jest często

pach elektrod, po dojściu kanału do

energicznie elektrony i obszar wyciągania przesuwa się

ększej przewodności zwany

20

Gdy ostrze jest dodatnie początkowa lawina rozpocząć się musi w pewnej odległości od

ostrza i rozwinąć się musi w kierunku ostrza. Wymaga to większego natężenia pola przy

ostrzu. Po dojściu do ostrza lawina przekształca się w kanał plazmowy przedłużający się ku

katodzie. Ponieważ koniec lawiny zawiera ładunki dodatnie stanowi jak gdyby przedłużenie

elektrody ostrzowej i wytwarza duże natężenie pola, co sprzyja powstaniu nowej lawiny

przed czołem kanału. Lawiny takie rozwijają się w kierunku anody równocześnie

z przedłużeniem się kanału plazmowego ku katodzie. Tak rozwijający się kanał plazmowy

nazywamy anodowym. Przedłużenie to odbywa się w sposób ciągły aż do osiągnięcia katody

przez czoło kanału. Po osiągnięciu katody powstaje wyładowanie główne.

Przy innym układzie elektrod o polu niejednorodnym mechanizm tworzenia się kanału

plazmowego może być jeszcze bardziej złożony. Kanały mogą się rozwijać zarówno z katody,

jak i z anody, w zależności od miejsc usytuowania największych naprężeń oraz źródeł

początkowych elektronów dla tworzenia lawin. Kanały mogą się tworzyć równolegle, łączyć

w gałęzie lub wstęgi, przebiegające od jednej do drugiej elektrody, mogą wreszcie nie

doprowadzać do całkowitego zwarcia elektrod przyjmując formę wyładowań niezupełnych.

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napięciu przemiennym

Ze względu na powolność zmian napięcia przemiennego (50 Hz) w stosunku do

prędkości tworzenia się lawin i kanałów plazmowych, wyładowania występują przy

największej chwilowej wartości przyłożonego napięcia tj. wartości szczytowej sinusoidy.

W układzie płaskim osiągnięcie w którymkolwiek miejscu przestrzeni wartości

krytycznej natężenia pola Eo prowadzi do przebicia układu. Napięcie przebicia (przeskoku)

Up jest równoznaczne z napięciem początkowym Uo

Up = Uo

Wartości krytyczne naprężeń Eo dla powietrza w układzie płaskim przy napięciu

o częstotliwości 50 Hz w warunkach atmosferycznych normalnych tzn. T = 293 K i p = 1013

hPa w zależności od odstępu elektrod a przedstawiono na wykresie. Można tam odczytać, że

przy odstępie a = 1 cm

EkV

cm

kV

cmo ≈ =30 21 2 2,

czyli napięcie początkowe Uo występuje przy wartości skutecznej napięcia pomiędzy

elektrodami U = 21,2 kV.

Natężenie krytyczne w powietrzu dla układu płaskiego przy napi

o częstotliwości 50 Hz w warunkach atmosferycznych normalnych.

W warunkach praktycznych ci

normalnych, przy napięciach i odległo

wykorzystywana jest prawa cz

początkowe w dowolnych warunkach temperatury i ci

gdzie Uon jest napięciem pocz

W układzie ostrzowym

gazu, gdyż napięcie przeskoku

Po osiągnięciu napięcia

w dość szerokim zakresie nie zale

decyduje głównie ich krzywizna. Dalsze podnoszenie napi

prowadzi do snopienia, a nastę

zależy od gęstości powietrza, podobnie, jak

zależności Uo i Up przy zmianach odległo

napięć Uo i Up są wyższe w przypadku

jedno ostrze jest uziemione udział pola w stosunku do ziemi podwy

21

enie krytyczne w powietrzu dla układu płaskiego przy napię

ci 50 Hz w warunkach atmosferycznych normalnych.

W warunkach praktycznych ciśnienia i temperatury powietrza, zbli

ęciach i odległościach izolacyjnych stosowanych w praktyce

wykorzystywana jest prawa część krzywej Paschena. Dla danej odległo

tkowe w dowolnych warunkach temperatury i ciśnienia

Uo = Uon ⋅ δ

ęciem początkowym w warunkach normalnych.

osiągnięcie napięcia Uo nie jest równoznaczne z przebiciem

cie przeskoku

Up > Uo

ęcia Uo na ostrzach pojawiają się świetlenia, przy czym warto

szerokim zakresie nie zależy od odstępu elektrod, gdyż o największym nat

decyduje głównie ich krzywizna. Dalsze podnoszenie napięcia pomię

, a następnie do przeskoku przy wartości napięcia U

ci powietrza, podobnie, jak Uo. Na rysunku przedstawiono typowy przebieg

przy zmianach odległości ostrzy a przy stałej gęstości powietrza. Warto

ższe w przypadku układu ostrzy symetrycznych wzglę

jedno ostrze jest uziemione udział pola w stosunku do ziemi podwyższa napręż

enie krytyczne w powietrzu dla układu płaskiego przy napięciu przemiennym

a i temperatury powietrza, zbliżonych do

ciach izolacyjnych stosowanych w praktyce

krzywej Paschena. Dla danej odległości a napięcie

nie jest równoznaczne z przebiciem

, przy czym wartość Uo

ększym natężeniu pola

ęcia pomiędzy elektrodami

Up, którego wartość

. Na rysunku przedstawiono typowy przebieg

ę ści powietrza. Wartości

układu ostrzy symetrycznych względem ziemi. Gdy

ższa naprężenia.

Zależność napięcia począ

w zależności od odległości elektrod a.

W praktyce interesujący jest zakres odległo

Upn w warunkach normalnych (w kV) mo

(U pn =

U pn =

gdzie a - odległość elektrod, w cm w zakresie ( 8

Ze względu na to, że przeskok w

wyładowaniami niezupełnymi, napi

wodna tworzy z elektronami ci

i podwyższa napięcie przeskoku.

W układach kulowych ekscentrycznych postacie wyładowa

odstępu kul a do promienia

siebie, rozkład pola pomiędzy kulami jest prawie jednorodny. Przy wi

tego stosunku, tj. gdy kule są małe i daleko od siebie, w układzie powstaje niejednorodne pole

i przy podnoszeniu napięcia mi

a następnie przeskok. Układ kulowy jest układem o zachowaniu po

zachowaniem się układu płaskiego i ostrzowego.

W układach kulowych ekscentrycznych, w których

w praktyce do wyznaczania warto

jest charakterystyka Up = f (

uzyskania zadawalającej dokładno

iskierniki, dla których stosunek

22

cia początkowego Uo i napięcia przeskoku Up w układzie ostrzowym

ści elektrod a.

ący jest zakres odległości a ≥ 8 cm. Wówczas napi

w warunkach normalnych (w kV) można obliczać szacunkowo ze wzorów

( )a+14 316 2, dla układu niesymetrycznego

( )a+14 3 36 2, dla układu symetrycznego

ść elektrod, w cm w zakresie ( 8 ≤ a ≤ 150 ).

że przeskok w układach o polach niejednorodnych

wyładowaniami niezupełnymi, napięcie Up uzależnione jest od wilgotnoś

wodna tworzy z elektronami ciężkie jony ujemne, co utrudnia tworzenie si

cie przeskoku.

W układach kulowych ekscentrycznych postacie wyładowań zależą

do promienia r. Przy małych wartościach a/r, tj. gdy kule s

ędzy kulami jest prawie jednorodny. Przy większych warto

ą małe i daleko od siebie, w układzie powstaje niejednorodne pole

ęcia między elektrodami pojawiają się świetlenia, snopienia,

pnie przeskok. Układ kulowy jest układem o zachowaniu poś

układu płaskiego i ostrzowego.

W układach kulowych ekscentrycznych, w których Up = Uo, przeskok wykorzystuje si

do wyznaczania wartości napięcia na podstawie odczytu odległoś

= f (a) układu. W tym celu stosuje się iskierniki pomiarowe. Celem

ącej dokładności i powtarzalności charakterystyki Up

iskierniki, dla których stosunek a/r zawarty jest w granicach

0,05 ≤ a/r ≤ 1

w układzie ostrzowym

8 cm. Wówczas napięcie przeskoku

szacunkowo ze wzorów

dla układu niesymetrycznego

ymetrycznego

układach o polach niejednorodnych poprzedzany jest

wilgotności powietrza. Para

kie jony ujemne, co utrudnia tworzenie się lawin

ń zależą od stosunku

dy kule są duże i blisko

dzy kulami jest prawie jednorodny. Przy większych wartościach

małe i daleko od siebie, w układzie powstaje niejednorodne pole

ę świetlenia, snopienia,

pnie przeskok. Układ kulowy jest układem o zachowaniu pośrednim pomiędzy

, przeskok wykorzystuje się

cia na podstawie odczytu odległości kul, gdy znana

iskierniki pomiarowe. Celem

p = f (a) buduje się

23

W układach walców ekscentrycznych wyładowania obserwowane są zwykle przy

dużych stosunkach odległości osi walców a do promienia r. Układami takimi bywają

w praktyce przewody linii napowietrznych, w których zazwyczaj a/r > 30. W układach

takich przeskok rozwija się ze snopienia poprzedzonego świetleniem, gdyż rozkład pola jest

wybitnie niejednorodny. Ważne jest wówczas określenie najmniejszej wartości napięcia, przy

którym pojawia się już wyraźny upływ ładunków poprzez dielektryk powietrzny. Napięciem

tym jest napięcie jonizacji Uj odpowiadające najniższemu natężeniu jonizacji Ej, przy

którym zaczyna się przy przewodach pojawiać jonizacja zderzeniowa.

Natężenie Ej określa się wzorem eksperymentalnym Peeka

E m mj = 211 21 2, δ [ kV/cm ]

gdzie δ jest gęstością powietrza, a współczynnik m1 - uwzględnia stan i rodzaj budowy

przewodów (0,8...1) oraz współczynnik m2 - stan pogody (susza, deszcz, szron, itp).

Widoczne świetlenie, zwane potocznie ulotem lub koroną pojawia się na przewodach

z chwilą osiągnięcia przy powierzchni natężenia pola odpowiadającemu natężeniu

początkowemu Uo. Według Peeka

E Er

o j= +

1

0 3,

δ

gdzie r - promień przewodu w cm.

Natężeniu Eo odpowiada napięcie początkowe Uo nazywane napięciem ulotu. Wielkości

Uo i Eo są ze sobą związane i zależą od geometrii układu tj. odstępu przewodów i ich

promienia. Zakładając w określonych warunkach Eo można obliczyć Uo przy danych a i r lub

częściej wybrać r przy danych Uo i a.

Upływ ładunków z przewodów linii pod wpływem napięcia wyższego od napięcia, przy

którym osiągane jest natężenie jonizacji, powoduje straty zwane stratami ulotowymi. Straty te

wyznacza się ze wzoru eksperymentalnego Peeka

( )P fr

a

U U j= + −

• −241

253 3

102

5

δ [kW/km]

w którym: f - częstotliwość napięcia roboczego linii w Hz; U - wartość skuteczna

roboczego napięcia międzyprzewodowego linii w kV; Uj - wartość skuteczna napięcia

międzyprzewodowego, przy którym powstaje przy przewodzie natężenie jonizacji;

r - promień przewodów w cm; a - odstęp przewodów w cm.

Ulot powstający w liniach, oprócz powodowania strat energii, jest przyczyną

niszczącego działania na izolację linii, otoczenie oraz wywołuje zakłócenia

24

radiotelekomunikacyjne. Ulotowi przeciwdziała się poprzez wybór dostatecznie dużej

średnicy przewodów. Jeżeli to jest niemożliwe, z powodu konieczności zachowania przekroju

i wagi przewodów, to stosuje się przewody rurowe lub przewody wiązkowe. Są to przewody

równoległe ustawione przestrzennie względem siebie tak, aby wytwarzane przez nie pole

wokół wiązki miało możliwie małe natężenie.

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napięciu stałym

Wpływ biegunowości napięcia na napięcie przeskoku nie jest widoczny w układach

symetrycznych o jednakowych elektrodach nawet przy polach niejednorodnych. Występuje

natomiast wyraźnie w układach niesymetrycznych zwłaszcza o dużej niejednorodności pola.

Typowym przykładem takiego układu niesymetrycznego jest układ ostrze - płyta uziemiona,

w którym przeskok poprzedzany jest wyładowaniami niezupełnymi, tj. zachodzi Up > Uo.

Zarówno Up jak i Uo zależą od biegunowości elektrod. Oznaczając te napięcia przez Up+

i Uo+ w przypadku ostrza dodatniego, a przez Up

- i Uo- w przypadku ostrza ujemnego można

stwierdzić słuszność zależności

Uo- < Uo

+

Up- > Up

+

Zależności te wyjaśniamy mechanizmem rozwoju wyładowania. W układzie ostrze-

płyta z ostrza rozwinąć się musi kanał plazmowy anodowy lub katodowy.

Tworzenie się lawin wybiegających przy ostrzu ujemnym jest bardziej ułatwione, gdyż

każda lawina tworzy w swej tylnej części ładunek przestrzenny dodatni wzmagający pole

przy katodzie i ułatwiający emisję elektronów z katody. Odwrotnie - przy ostrzu dodatnim

lawiny rozpoczynać się muszą w pewnej odległości od ostrza, gdzie natężenie pola jest

mniejsze, ładunki zaś dodatnie lawin, po wchłonięciu elektronów przez anodę, osłabiają

dodatkowo natężenie pola przy ostrzu. Tworzenie lawin wymaga zatem wyższego napięcia

początkowego. Powyższe względy sprawiają, że Uo- < Uo

+.

Rozkład pola w przerwie ostrze

biegunowości napięcia elektrody ostrzowej

1 - bez udziału pola od ładunku przestrzennego

2 - z udziałem pola od ładunku przestrzennego

W dalszych rejonach od ostrza kanał plazmowy natrafia na znacznie łatwiejsze warunki

rozwoju ku płycie, gdy ostrze jest dodatnie. Dodatni kanał plazmowy staje si

ostrza i niesie przed sobą obszar silnej jonizacji wywołuj

ostrzu ujemnym ładunek przestrzenny przy katodzie utrudnia rozwój lawin ku anodzie

obniżając natężenie pola. Powyż

Wpływ biegunowości napi

przemiennych. Polega on jedn

napięcia, której biegunowość bardziej sprzyja wywołaniu danego zjawiska.

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napi

Napięciami udarowymi

dodatniego lub ujemnego o kształtach jak na rys.1. Cz

nazywana jest czołem udaru,

nazwę grzbietu udaru. Prędkość

czoła T1 i czas do półszczytu T

Napięcia udarowe stosuje si

elektrycznością atmosferyczną

występujących przy procesach łą

25

Rozkład pola w przerwie ostrze - płyta dla dodatniej (a) i ujemnej (b)

ęcia elektrody ostrzowej

bez udziału pola od ładunku przestrzennego

z udziałem pola od ładunku przestrzennego

onach od ostrza kanał plazmowy natrafia na znacznie łatwiejsze warunki

rozwoju ku płycie, gdy ostrze jest dodatnie. Dodatni kanał plazmowy staje si

ą obszar silnej jonizacji wywołującej liczne lawiny. Odwrotnie, przy

ostrzu ujemnym ładunek przestrzenny przy katodzie utrudnia rozwój lawin ku anodzie

enie pola. Powyższe względy sprawiają, że Up- > Up

+.

ści napięcia może być obserwowany również

przemiennych. Polega on jednak na tym, że świetlenie lub przeskok wywołuje ta połówka

ść bardziej sprzyja wywołaniu danego zjawiska.

dielektryczna powietrza przy napięciach udarowych

ciami udarowymi lub udarami nazywane są jednokierunkowe impulsy napi

dodatniego lub ujemnego o kształtach jak na rys.1. Część wzrastająca przebiegu napi

aru, część opadająca po osiągnięciu wartości szczytowej U

ędkość narastania i opadania napięcia charakteryzuj

czas do półszczytu T2.

cia udarowe stosuje się do badań wytrzymałości w warunkach

atmosferyczną pochodzenia burzowego lub w wyniku zakłóce

cych przy procesach łączeniowych.

płyta dla dodatniej (a) i ujemnej (b)

onach od ostrza kanał plazmowy natrafia na znacznie łatwiejsze warunki

rozwoju ku płycie, gdy ostrze jest dodatnie. Dodatni kanał plazmowy staje się przedłużeniem

cej liczne lawiny. Odwrotnie, przy

ostrzu ujemnym ładunek przestrzenny przy katodzie utrudnia rozwój lawin ku anodzie

obserwowany również przy napięciach

wietlenie lub przeskok wywołuje ta połówka

bardziej sprzyja wywołaniu danego zjawiska.

nokierunkowe impulsy napięcia,

ąca przebiegu napięcia

ści szczytowej Um nosi

cia charakteryzują: czas trwania

ci w warunkach zagrożenia

urzowego lub w wyniku zakłóceń

Napięcie udarowe oraz umowne oznaczenia czasów

piorunowego T1 - czas trwania czoła,

Napięciem udarowym piorunowym

czasami T1 = 1,2 µs i T2 = 50

cechowania wytrzymałości izolacji, gdy

napięcia. Znormalizowano takż

z przebiegu krzywej udaru.

Napięciem udarowym łączeniowym

250/2500 µs.

Przebicie powietrza przy napi

wartości U p niż przy napięciu stałym i przemiennym, które w czasie t

plazmowego można uznać za niezmienne w czasie i równe

Przy napięciu udarowym czas trw

jest ograniczony i porównywalny z czasem rozwoju wyładowania.

kanału plazmowego, a więc przeskok i

może występować znacznie póź

napięciu przebicia.

Ta różnica czasów nazywana jest

opóźnienia top składają się: czas

nazywany czasem formowania

26

cie udarowe oraz umowne oznaczenia czasów charakterystycznych dla udaru

czas trwania czoła, T2 - czas do półszczytu

ciem udarowym piorunowym nazywa się udar o umownym kształcie, okre

= 50 µs. Normalizacja udarów jest niezbędna dla jednoznaczno

ści izolacji, gdyż wytrzymałość ta zależy od pr

Znormalizowano także sposób określania czasów charakterystycznych

ciem udarowym łączeniowym nazywamy udary o umownym kształcie np.

Przebicie powietrza przy napięciu udarowym zachodzi przeważnie przy wi

ęciu stałym i przemiennym, które w czasie tworzenia si

ć za niezmienne w czasie i równe statycznemu napię

udarowym czas trwania wysokiego napięcia, zdolnego zjon

porównywalny z czasem rozwoju wyładowania. Ponadto uformowanie

ęc przeskok i ucięcie udaru przez zwarcie elektrod wyładow

później niż po osiągnięciu wartości napięcia równej statycznemu

czasów nazywana jest opóźnieniem wyładowania.

czas ts, nazywany statystycznym czasem opóźnienia

m formowania wyładowania, przy czym top = ts + tf .

charakterystycznych dla udaru

umownym kształcie, określonym

ędna dla jednoznaczności

ży od prędkości zmian

lania czasów charakterystycznych T1 i T2

nazywamy udary o umownym kształcie np. T1 / T2 =

eważnie przy większej

worzenia się kanału

napięciu przebicia Up.

cia, zdolnego zjonizować gaz,

Ponadto uformowanie

przez zwarcie elektrod wyładowaniem

ęcia równej statycznemu

Na wielkość tego

statystycznym czasem opóźnienia oraz czas tf,

27

Czas ts, zależy od przypadkowości znalezienia się początkowych elektronów,

tworzących pierwsze lawiny, w miejscach, gdzie natężenie pola przy napięciu udarowym

osiągnie wartości odpowiadające statycznemu napięciu przebicia układu. Zależy on od

wysokości przyłożonego napięcia, kształtu i materiału elektrod, głównie zaś od zdolności

katody do autoemisji lub fotoemisji, którą można pobudzać np. przez naświetlenie jonizujące.

Czas tf zależy od prędkości formowania się kanału plazmowego tym większej, im większe

napięcie oraz natężenie pola w układzie oraz tym mniejszej im odległość elektrod jest

większa.

Zjawisko opóźnienia wyładowania powoduje, że kolejne udary o tej samej amplitudzie

nie zawsze wywołują przeskok w układzie izolacyjnym, przy czym częstość występowania

przeskoków zależy od wartości szczytowej przykładanych udarów Upm. Zwykle przeskoki

pojawiają się przy pewnej minimalnej wartości napięcia U p0% zwanej minimalnym lub zero

procentowym napięciem przeskoku.

W miarę wzrostu napięcia liczba przeskoków w stosunku do liczby przyłożonych

udarów rośnie. Przy napięciu U pl00% zwanym stuprocentowym każdy przyłożony udar

wywołuje przeskok. Układ izolacyjny ma zatem napięcie udarowe przebicia zmienne od Up0%

do Upl00% przy czym wartości te mogą różnić się znacznie lub być bliskie siebie tak jak

pokazano na rysunku.

Właściwość ta zależy od stopnia niejednorodności pola odróżniającego np. układ

elektrod ostrzowy od płaskiego lub kulowego przy małym stosunku odległości do promienia

(a/r).

Rys.2 Zależności prawdopodobie

układów o polu niejednorodnym (

Wyznaczanie U p0% i U

napięcie przeskoku pięćdziesię

przyłożonych udarów prowadzi do przeskoku.

statycznego napięcia przeskoku

nazywany jest współczynnikiem udaru.

izolacyjnego i jest bliski jednoś

układów o polach niejednorodnych, w których powstawanie kanału plazmowego jest bardziej

utrudnione.

Celem porównania, który z u

bardziej wytrzymały nie wystarczy porówna

czasy do przeskoku tp od chwili przyło

jest bowiem mniej wytrzymały

Porównanie takie opiera si

będących funkcjami wartości szczytowej napi

ucięcia (czasu do przeskoku) t

Ze względu na to, że wskutek zmienno

danym napięciu Up mogą się zmienia

średnich czasów do przeskoku. W pewnych warunkach po

charakterystyki Up = f(tp)

charakterystyki takie będą leż

średnich.

28

ści prawdopodobieństwa przeskoku od wartości szczytowej udaru dla

polu niejednorodnym (2) i prawie jednorodnym (1)

U p100% praktycznie bywa utrudnione i dlatego wyznacza

ęćdziesięcioprocentowe U p50% tj. takie, przy którym połowa

prowadzi do przeskoku. Stosunek pięćdziesięcioprocentowego do

cia przeskoku

ku = Up50% / Ups

współczynnikiem udaru. Współczynnik ten zależy od rodzaju ukł

jedności dla układów o polach jednorodnych, a

niejednorodnych, w których powstawanie kanału plazmowego jest bardziej

Celem porównania, który z układów izolacyjnych jest przy napię

wytrzymały nie wystarczy porównać wartości napięć, lecz należ

od chwili przyłożenia napięcia Um do chwili jego uci

wytrzymały, który szybciej zostanie przebity, ucinając przyło

Porównanie takie opiera się na porównaniu przebiegów charakterystyk udarowych

ści szczytowej napięcia powodującego przeskok

tp. Sposób konstrukcji charakterystyki udarowej podaje rys

e wskutek zmienności czasu opóźnienia przeskoku czasy do uci

ą się zmieniać, charakterystyki udarowe sporządza si

przeskoku. W pewnych warunkach pożądane jest sporz

dla najkrótszych lub najdłuższych czasów

ę ą leżały na lewo lub na prawo od charakterystyki dla czasów

ści szczytowej udaru dla

praktycznie bywa utrudnione i dlatego wyznacza się

tj. takie, przy którym połowa

ęć ęcioprocentowego do

ży od rodzaju układu

jednorodnych, a jest większy dla

niejednorodnych, w których powstawanie kanału plazmowego jest bardziej

kładów izolacyjnych jest przy napięciach udarowych

, lecz należy także porównać

jego ucięcia. Ten układ

ąc przyłożone napięcie.

charakterystyk udarowych

cego przeskok Up od czasu do

Sposób konstrukcji charakterystyki udarowej podaje rysunek.

nienia przeskoku czasy do ucięcia przy

, charakterystyki udarowe sporządza się zwykle dla

żądane jest sporządzenie

czasów tp. Oczywiście

lub na prawo od charakterystyki dla czasów

Konstrukcja charakterystyki udarowej

Porównanie wytrzymałoś

wspólne wykresy ich charakterystyk udarowych. Cz

dokładności porównuje się charakterystyki dla

z charakterystykami dla najdłuż

Rozrzut czasów do przeskoku

Porównywanie charakterystyk udaro

a) układ 2 bardziej wytrz

b) układ l bardziej wytrzymały od układu 2 dla napi

wytrzymały dla napięć mniejszych

29

ukcja charakterystyki udarowej Up = f ( tp )

Porównanie wytrzymałości udarowej układów izolacyjnych dokonuje si

wspólne wykresy ich charakterystyk udarowych. Często w celu osią

ę charakterystyki dla najkrótszych czasów

najdłuższych czasów tp drugiego układu lub odwrotnie.

Rozrzut czasów do przeskoku tp przy napięciu udarowym Um

wnywanie charakterystyk udarowych:

a) układ 2 bardziej wytrzymały od układu l, gdyż tp2 > tp1 dla dowolnych

wytrzymały od układu 2 dla napięć większych

mniejszych od Up

ci udarowej układów izolacyjnych dokonuje się sporządzając

sto w celu osiągnięcia większej

najkrótszych czasów tp jednego układu

drugiego układu lub odwrotnie.

dla dowolnych Up;

kszych od Up, mniej

W układach niejednorodnych wytrzymało

podobnie jak przy napięciach stałych. Napi

gęstości powietrza δ. Może by

przemiennych, jednak współczynniki poprawkowe

elektrod oraz biegunowości i kształtu udarów.

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napi

Wytrzymałość dielektryczna powietrza przy napi

częstotliwości nie zmienia się w stosunku do wytrz

osiągnięcia częstotliwości 2

częstotliwości wywiera wpływ wtedy, gdy zmienno

porównywalnych z czasami przebiegu elektronów i

Zależność napięcia przeskoku

wytrzymałości przy 50 Hz.

W układach o polu zbliż

od częstotliwości powyżej 2

w stosunku do statycznej i osią

Zmniejszenie wytrzymałoś

dodatnie wytworzone w ciągu poprzedzaj

Przy prędkich zmianach napię

elektronów i tworzenie lawin. Przy dalszym wzro

wytrzymałość, po osiągnięciu minimum, zacz

już nienadążanie elektronów za zmianami kierunków nat

przestrzeni zaczynają kompensowa

30

W układach niejednorodnych wytrzymałość udarowa zależy od biegunowo

ęciach stałych. Napięcie przeskoku w powietrzu jest

że być również zależne od wilgotności, jak przy napi

przemiennych, jednak współczynniki poprawkowe k mają wartości różne, zale

ści i kształtu udarów.

dielektryczna powietrza przy napięciach wielkiej częstotliwo

dielektryczna powietrza przy napięciach przemiennych o wielkiej

ci nie zmienia się w stosunku do wytrzymałości przy częstotliwo

ści 2 ⋅ 104 Hz i równa jest wytrzymałości statycznej.

ci wywiera wpływ wtedy, gdy zmienność napięcia zachodzi w ci

porównywalnych z czasami przebiegu elektronów i jonów w przestrzeni izolacyjnej.

ęcia przeskoku Up w układzie kulowym ekscentrycznym,

W układach o polu zbliżonym do jednorodnego przy wzroście częstotliwo

żej 2 ⋅ 104 Hz wytrzymałość powietrza zaczyna zmniejsza

osiąga minimum przy ok. 106...107 Hz.

Zmniejszenie wytrzymałości następuje skutkiem zwiększenia natężenia pola przez jony

ągu poprzedzających połówek okresów napię

dkich zmianach napięcia jony te tworzą ładunek przestrzenny przyspieszaj

elektronów i tworzenie lawin. Przy dalszym wzroście częstotliwości do ok. 10

u minimum, zaczyna energicznie wzrastać. Przyczyn

anie elektronów za zmianami kierunków natężenia pola i elektrony pozostaj

ą kompensować wpływ jonów dodatnich.

biegunowości napięcia

cie przeskoku w powietrzu jest zależne od

ści, jak przy napięciach

żne, zależnie od kształtu

ęstotliwości

ciach przemiennych o wielkiej

ęstotliwości 50 Hz aż do

ści statycznej. Wzrost

cia zachodzi w ciągu czasów

jonów w przestrzeni izolacyjnej.

w układzie kulowym ekscentrycznym, w stosunku do

ś ęstotliwości napięcia

powietrza zaczyna zmniejszać się

ężenia pola przez jony

okresów napięcia przemiennego.

przestrzenny przyspieszający ruchy

ści do ok. 108 Hz

ć. Przyczyną tego jest

i elektrony pozostając w

W układach o polach niejednorodnych zmienno

częstotliwości ma podobny charakter

statycznej są większe. W układach tych wyładowania pomi

wyładowaniami niezupełnymi wytwarzaj

przestrzeniach, co zmienia rozkład pola.

Wyładowania ślizgowe

Wyładowania ślizgowe są

gazach, występują przy współpracy dielektryka gazowego z innym d

o większej przenikalności dielektrycznej. Wyładowania takie powstaj

zmiennych, gdy układ dielektryczny ukształtowany jest w sposób jak n

Układ dielektryczny, w którym powstaj

Szczególną cechą tego ukształtowania jest tworzenie si

trzech układów dielektrycznych, w których linie nat

odmiennego kształtu elektrod przechodz

dielektrycznej. W stosunku do układu drugiego wytrzymało

i trzeciego jest wysoka, gdyż

wytrzymałości, w trzecim zaś odległo

(uwarstwionym szeregowo) napr

proporcjonalnie do przenikalno

przebiegającej przez powietrze, s

w przypadku zakrzywienia powierzchni mniejszej

Przy podnoszeniu napięcia pomi

się tuż przy powierzchni dielektryka stałego w powietrzu, wyładowania

rozwoju tych wyładowań jest styczny do powierzchni granicznej pomi

stałym i powietrzem. Prąd wyładowa

dielektryka stałego. W miarę wzrostu napi

31

W układach o polach niejednorodnych zmienność wytrzymało

ma podobny charakter, ale powstające różnice w stosunku do wytrzymało

ksze. W układach tych wyładowania pomiędzy elektrodami poprzedzane s

niezupełnymi wytwarzającymi obficie ładunki przestrzenne w okre

zmienia rozkład pola.

ślizgowe są szczególną postacią wyładowań w powietrzu lub innych

przy współpracy dielektryka gazowego z innym dielektrykiem stałym

ści dielektrycznej. Wyładowania takie powstają

dielektryczny ukształtowany jest w sposób jak na rys

Układ dielektryczny, w którym powstają wyładowania ślizgowe przy

ą tego ukształtowania jest tworzenie się jakby równoległego p

trzech układów dielektrycznych, w których linie natężeń pola np. linie 1, 2

odmiennego kształtu elektrod przechodzą przez różne ośrodki o różnej wytrzymało

dielektrycznej. W stosunku do układu drugiego wytrzymałość na przebicie układu pierwszego

trzeciego jest wysoka, gdyż w pierwszym znajduje się dielektryk

trzecim zaś odległość elektrod w powietrzu jest duża. W

szeregowo) naprężenia dielektryczne rozkładają si

porcjonalnie do przenikalności elektrycznych i natężenia pola w cz

cej przez powietrze, są wysokie gdyż ε2>ε1, czemu sprzyja niejednorodno

zywienia powierzchni mniejszej elektrody.

Przy podnoszeniu napięcia pomiędzy elektrodami, przy mniejszej elektrodzie, pojawiaj

ierzchni dielektryka stałego w powietrzu, wyładowania ś

ń jest styczny do powierzchni granicznej pomię

ąd wyładowań zamyka się pojemnościowo przez pojemno

ę wzrostu napięcia obszar wyładowań świetlącyc

wytrzymałości w funkcji

nice w stosunku do wytrzymałości

dzy elektrodami poprzedzane są

cymi obficie ładunki przestrzenne w określonych

wietrzu lub innych

ielektrykiem stałym

ci dielektrycznej. Wyładowania takie powstają przy napięciach

a rysunku.

lizgowe przy ε2 > ε1

jakby równoległego połączenia

linie 1, 2 lub 3, wskutek

rodki o różnej wytrzymałości

e układu pierwszego

dielektryk stały o dużej

ża. W drugim układzie

enia dielektryczne rozkładają się odwrotnie

enia pola w części linii 2,

, czemu sprzyja niejednorodność pola

iejszej elektrodzie, pojawiają

ierzchni dielektryka stałego w powietrzu, wyładowania świetlące. Kierunek

jest styczny do powierzchni granicznej pomiędzy dielektrykiem

przez pojemność C

ń świetlących przy mniejszej

32

elektrodzie powiększa się i długość wyładowań rośnie, przy czym zwiększa się pojemność C,

tworzona przez wyładowania i prąd wyładowań wzrasta. Przy osiągnięciu pewnej wartości

napięcia nazywanej napięciem początkowym wyładowań ślizgowych UoŚl prąd wyładowań jest

tak duży, że zaczyna powodować termiczną jonizację w kanałach wyładowań zmieniając je

w silnie świecące długie iskry zwane ślizgowymi, powodujące powstanie dużych natężeń pola

na swych końcach.

Natężenia te sprawiają, że niewielkie dalsze podnoszenie napięcia ponad Uośl znacznie

wydłuża iskry, co może doprowadzić do połączenia elektrod wyładowaniem przebiegającym

po powierzchni dielektryka stałego. Przebicie takie może wystąpić przy napięciu Up znacznie

niższym, niż byłoby potrzebne do przebicia tej samej drogi w powietrzu, wzdłuż linii pola 3,

gdyby istniał tylko trzeci składowy układ dielektryczny.

Napięcie początkowe wyładowań ślizgowych Uośl jest tym niższe, im wcześniej

powstają świetlenia i im większy jest prąd wyładowań. Świetlenia powstaną tym szybciej, im

większa jest wartość ε2 w stosunku do εl. Powstaniu iskier ślizgowych sprzyja wzrost

pojemności C, która tworzona jest poprzez dielektryk stały tuż przy mniejszej elektrodzie.

Wg. Toeplera przy napięciach przemiennych napięcie Uośl może być oszacowane na

podstawie wzoru doświadczalnego

[ ]kVC

Uosl4

44,010

355,1 −⋅=

gdzie Uośl jest wartością skuteczną napięcia sinusoidalnego, powodującego wyładowania przy

wartości szczytowej oslU⋅2 , a C jest pojemnością jednostkową w F/cm2 dielektryka stałego,

zawartego pomiędzy większą elektrodą a 1cm2 powierzchni, rozdzielającej dielektryki tuż

przy elektrodzie mniejszej.

Przeciwdziałać wyładowaniom ślizgowym można podwyższając grubość dielektryka

stałego, co wpływa na zmalenie C, lub zmieniając proporcje wymiarów elektrod. Na rysunku

przedstawiono przykładowo sposób przeciwdziałania wyładowaniom przez metalizowanie

części powierzchni granicznej dielektryków oraz pogrubianie dielektryka stałego drogą

tworzenia karbów w izolatorze przepustowym.

Przeciwdziałanie wyładowaniom

a) metalizację; b) karbowanie powierzchni granicznej

Wyładowań ślizgowych mo

rozkład naprężeń wzdłuż linii nat

w izolatorach stosując wewną

półprzewodzące nie dopuszczają

Wyładowanie po zabrudzonej powierzchni izolatora

Na izolacyjne własności izolatorów napowietrznych istotny wpł

na powierzchni warstwa zabrudzeniowa. Nale

nadmorskim oraz rejonach uprzemysłowionych, bowiem zan

zawierają szczególnie dużo rozpuszczalnych i zdolnych do dysocjacji substancji.

to dużą elektroprzewodność warstwy zabrudzeniowej ulegaj

mgły lub kondensacji pary.

Przy idealnie równomiernej elektroprzewodno

rozkład pola, odpowiadający polu pr

podsuszonych obszarów, rozkład pola zostaje silnie zakłócony. Powstaj

wyładowania, które w końcu mog

Na rysunku przedstawiono kolejne etapy rozwoju wyładowania a

33

Przeciwdziałanie wyładowaniom ślizgowym przez:

karbowanie powierzchni granicznej

lizgowych można uniknąć również projektując układ izolacyjny tak, aby

ż linii natężenia pola był bardziej wyrównany. Moż

ąc wewnątrz dielektryka stałego ekrany, bądź stosuj

dopuszczające do powstawania wyładowań powierzchniowych.

Wyładowanie po zabrudzonej powierzchni izolatora

ści izolatorów napowietrznych istotny wpływ posiada utworzona

na powierzchni warstwa zabrudzeniowa. Należy to uwzględniać, szczegó

nadmorskim oraz rejonach uprzemysłowionych, bowiem zanieczyszczenia na tych rejonach

żo rozpuszczalnych i zdolnych do dysocjacji substancji.

ść warstwy zabrudzeniowej ulegającej zawilgoceniu w wyniku

Przy idealnie równomiernej elektroprzewodności warstwy, wystę

rozkład pola, odpowiadający polu prądu elektrycznego. Jednakże przy powstaniu

podsuszonych obszarów, rozkład pola zostaje silnie zakłócony. Powstaj

ńcu mogą doprowadzić do pełnego wyładowania powierzchniowego.

przedstawiono kolejne etapy rozwoju wyładowania aż do wystą

ad izolacyjny tak, aby

ej wyrównany. Można to osiągnąć np.

ą ź stosując pokrycia

powierzchniowych.

yw posiada utworzona

ć, szczególnie w rejonie

ieczyszczenia na tych rejonach

o rozpuszczalnych i zdolnych do dysocjacji substancji. Warunkuje

cej zawilgoceniu w wyniku

ci warstwy, występuje jednorodny

e przy powstaniu

podsuszonych obszarów, rozkład pola zostaje silnie zakłócony. Powstają lokalne

do pełnego wyładowania powierzchniowego.

ż do wystąpienia przeskoku.

Etapy wyładowania na zabrudzonej powierzchni

Zakłada się, że powstaje bardziej suchy, o

Elektroprzewodność tego obszaru jest

wzrasta gęstość prądu i ma tam miejsce zwi

bardziej szybkie osuszanie.

Suchy obszar rozszerza się

Zjawisko to następuje do momentu osuszenia cał

w przypadku cylindrycznego izolatora.

Ten wąski, suchy pasek nie wytrzymuje całego przyło

występuje na nim wyładowanie powierzchniowe lo

(rys. c). W oporowych punktach łuku wyst

szybszego wysychania tych miejsc.

W ten sposób sucha strefa rozszerza si

przemieszczaniu się łuku zachodzi roz

pokryta cała przerwa między elektrodami łukiem, tzn. dopóki nie nast

Przy tym dla rozprzestrzeniania si

czynnikami są charakterystyki łuku. Opisany rozwój przeskoku mo

pełnego przeskoku tylko w przypadku, je

stabilnie.

34

Etapy wyładowania na zabrudzonej powierzchni

że powstaje bardziej suchy, ograniczony obszar (rys.

tego obszaru jest niewielka. Powyżej i poniżej od osuszonego obszaru

du i ma tam miejsce zwiększone wydzielanie energii. Wynikiem tego jest

uchy obszar rozszerza się w kierunku prostopadłym do kierunku linii sił pola (rys.

puje do momentu osuszenia całej szerokości izolatora lub całego obwodu

w przypadku cylindrycznego izolatora.

ski, suchy pasek nie wytrzymuje całego przyłożonego napi

puje na nim wyładowanie powierzchniowe lokalne lub wyładowania wielomiejscowe

c). W oporowych punktach łuku występuje podwyższona gęstość prą

szybszego wysychania tych miejsc.

W ten sposób sucha strefa rozszerza się także w kierunku linii sił pola (rys.

łuku zachodzi rozszerzanie suchej strefy do tej chwili, a

ędzy elektrodami łukiem, tzn. dopóki nie nastą

Przy tym dla rozprzestrzeniania się suchej strefy i rozwoju przeskoku

charakterystyki łuku. Opisany rozwój przeskoku może

ego przeskoku tylko w przypadku, jeśli w czasie wszystkich etapów ł

graniczony obszar (rys. a).

ej od osuszonego obszaru

Wynikiem tego jest

do kierunku linii sił pola (rys. b).

ci izolatora lub całego obwodu

żonego napięcia i dlatego

adowania wielomiejscowe

ę ść prądu, prowadząca do

linii sił pola (rys. d). Przy

chwili, aż zostanie

dzy elektrodami łukiem, tzn. dopóki nie nastąpi pełny przeskok.

hej strefy i rozwoju przeskoku decydującymi

e doprowadzić do

li w czasie wszystkich etapów łuk będzie palił się