STRAPUNGEREA GAZELOR

STRAPUNGEREA GAZELOR

Prezenta purtatorilor de sarcina datorati ionizatorilor externi determina conduc­tia electrica dependenta de intensitatea campului electric aplicat numai la valori mici si mijlocii ale acestuia. La valori ale intensitatii campului electric ce depasesc 10⁵ - 10⁶ [V/m], are loc descarcarea independenta (autonoma) urmata de strapunge­rea gazului.

Datorita complexitatii fenomenului, tratarea matematica a procesului de stra­pun­­gere a fost posibila numai prin adoptarea unor simplificari si ipoteze. Desi prin aceasta se comite o indepartare fata de situatia reala se pot obtine rezultate teore­tice suficient de apropiate de cele experimentale. Astfel de rezultate au fost obtinute de catre Townsend a carui teorie are la baza urmatoarele ipoteze:

- ionizarile sb actiunea campului electric exterior sunt produse numai de catre electroni si numai daca energia (W) a electronului este mai mare decat energia de ionizare (W_i) a moleculei gazului. Desi nu se ia in considerare ionizarea in trepte si nici probabilitatea de ionizare (Electronul nu cedeaza energie la ciocnirea neionizata cand W < W_i).

- la fiecare ciocnire ionizata electronul isi cedeaza intreaga sa energie, viteza devenind nula.

- electronul de deplaseaza rectiliniu in lungul liniilor de camp electric (acesta fiind considerat uniform).

Tensiunea de strapungere (U_S) la care are loc descarcarea autonoma obtinuta de Townsend este de forma:

(1.138)

unde s‑a notat cu (g) numarul de electroni eliberati intr‑o secunda de pe 1 [cm²] din suprafata electrodului metalic negativ (catod). Din (1.138) rezulta ca tensiunea de stra­pungere a gazelor este functie de pordusul dintre presiune si distanta dintre elec­troni, cum de fapt se constata si experimental.

In afara de ionizarile produse prin ciocnirea moleculelor de catre electroni mai exista si ionizari datorate fotonilor, deci fotoionizare. Un atom (sau molecula) care in urma ciocnirii a ramas neionizat, se afla in stare excitata, adica are un electron cu o energie mai mica decat cea de ionizare, dar mai mare decat cea corespunzatoare starii sale fundamentale. Cand electronul sufera tranzitia inversa, in starea fundamentala, atomul emite diferenta de energie sub forma de fotoni. Fotonii pot produce ionizari suplimentare (fata de ciocniri). Se formeaza astfel, intre electronii metalici, cai rami­ficate in spatiu, cu mare conductivitate electrica, numite strimeri care preced stra­pun­gerea. Prin teoria strimerilor se obtine variatia tensiunii de strapungere cu pro­du­sul (p   d) foarte apropiata de cea obtinuta experimental. Curba [U_S = f(p   d)] inregis­treaza un minim, ca in fig. 1.35, datorat mai ales valorii presiunii. In general la valori (p   d) > 200 [torr   d] nu se mai obtine coincidenta intre curba teoretica si cea experi­mentala, deoarece relatia (1.138) este afectata de erori din cauza simplificarilor si ipo­tezelor care in afara acestui domeniu isi pierd valabilitatea. Daca se considera separat influenta factorilor din (1.138) asupra tensiunii de strapungere se obtin con­clu­zii importante pentru practica.

Figura 1.33. Strapungerea gazelor - validarea experimentala

Land ca exemplu aerul se va urmari influenta acestor factori asupra rigiditatii dielectrice, subliniind de pe acum importanta concluziilor daca se reaminteste ca in majoritatea dielectricilor sunt posibile incluziuni de gaze.

La presiune normala si distanta intre electrozi variata, rigiditatea dielectrica a aerului se prezinta ca in fig. 1.34. Scaderea rigiditatii cu cresterea distantei se explica prin aceea ca al distante mici intre electrozi, daca drumul mediu dintre doua ciocniri ionizante (a) este mai mare decat distanta (d) dintre electrozi.

Figura 1.34. Rigiditatea dielectrica a aerului la presiune normala.

In cazul distantei constante intre electrozi, cu variatia presiunii, rigiditatea aeru­­­lui variaza ca in fig. 1.35. la presiuni mici concentratia moleculelor fiind mica si probabilitatea de ciocnire si ionizare este mica, deci sunt necesare intensitati de camp mai mari la strapungere. La presiuni mari, cum (a) este mai mic, de asemenea trebuie ca intensitatea campului electric sa fie mare pentru a se produse ionizarea si respectiv strapungerea. Un minim al rigiditatii se obtine la aer pentru presiunea apro­piata de 1 atm. Cresterea rigiditatii cu presiunea conduce in practica la utilizarea gaze­lor elec­tro­izolante sub o anumita presiune in agregatele electrotehnice. De asemenea din izo­latie in aer trebuie sa se faca tinand seama si de presiunea acestuia, dar si de tempe­ra­tura.

Figura 1.35. Rigiditatea dielectrica a aerului la distanta dintre electrozi constanta.

Timpul in care se realizeaza efectiv strapungerea gazului, rezulta de ordinul a 10^-5 [s] dupa teoria Townsend si de 10^-7 - 10^-9 [s] dupa determinari experimentale. Timpul de dezvoltare a strapungerii scade cu cresterea intensitatii campului electric ca in fig. 1.36. In consecinta durata de aplicare a tensiunii influenteaza strapungerea.

Figura 1.36. Durata de anclansare a strapungerii

Aceasta se constata experimental daca se studiaza variatia cu frecventa a rapor­tului intre tensiunea de strapungere U_f (la diferite frecvente) si tensiunea de strapun­gere in curent continuu (U₀). Pentru aer se obtine [U_f / U₀ = f(f)] ca in fig. 1.37. Pana la frec­vente de 10⁷ [Hz], intre electroni apar sarcini spatiale care determina miscarea tensiu­nii de strapungere. la frecvente mari insa durata semiperioadei devine mai mica decat timpul necesar dezvoltarii strapungerii si respectiv tensiunea de strapungere este pro­portional mai mare.

Figura 1.37. Variatia tensiunii de strapungere cu frecventa

Spre deosebire de strapungerea aerului in camp electric uniform, in practica se intalnesc adesea descarcari in camp electric neuniform care in unele ca­zuri reprezinta pierderi suplimentare de energie, iar altele impiedica efectuarea corec­ta a unor deter­mi­nari experimentala. Asa este efectul corona, o descarcare autonoma incompleta ce se manifesta in jurul conductorilor rotunzi (linii de transport de energi­e) aflati la ten­si­uni inalte. Descarcarea este luminiscenta si situata in apropierea arma­turii metalice cu raza mica de curbura unde intensitatea campului este mai mare.

O descarcare similara apare la incercarea unui dielectric solid cand suprafata sa nu este suficient de mare in raport cu cea a electrozilor de proba, ca in fig. 1.38, iar grosimea este suficienta pentru a nu se produse strapungerea la o tensiune mai mica decat cea corespunzatoare potentialului de ionizare a aerului. In consecinta are loc ionizarea aerului la suprafata dielectricului, urmata de o descarcare luminiscenta, iar apoi de una disruptiva, trecerea curentului avand loc direct de la un electrod la altul prin aer. Dielectricul nu s‑a strapuns. Descarcarea disruptiva se numeste conturare.

Figura 1.38. Conturnarea materialelor electroizolante solide.

Daca simultan ar avea loc si strapungerea dielectricului, aceasta nu poate fi luata in considerare ca o incercare reproductibila. In asemenea situatie strapungerea dielectricului se obtine introducand ansamblul de electroni si proba intr‑un lichid die­lectric (de ex. ulei de transfromator) care sa nu modifice proprietatile curpului.

In cazul celor mai multi dielectrici neomogeni sau stratificati, pot fi intalnite fenomene de strapungere in gaze, daca acestia contin incluziuni gazoase.