Газообразные диэлектрики

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Материаловедение»

«Газообразные диэлектрики»

Сургут 2013

1. Общие сведения

В различных электрических установках газы используются в качестве изоляции. Особое место среди газов занимает воздух, который окружает большинство электрических устройств и, таким образом, участвует в системе изоляции этих устройств.

Характерными свойствами газов являются: малое значение диэлектрической проницаемости, высокое значение удельного сопротивления и очень малое значение угла диэлектрических потерь — при нормальном давлении и температуре, при отсутствии внешних интенсивных агентов ионизации и при небольших напряженностях, исключающих заметную ударную ионизацию; невысокое (по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками) значение электрической прочности.

К достоинствам газов следует отнести восстановление электрической прочности после пробоя и отсутствие старения, т. е. ухудшения свойств с течением времени.

Особенностью газообразных диэлектриков является невозможность использования их для закрепления деталей устройства, вследствие чего они применяются в сочетании с твердыми диэлектриками. Для увеличения электрической прочности газов можно использовать ее повышение с увеличением давления. Следует также иметь в виду, что электроотрицательные газы имеют повышенное значение Е_пр. Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают способностью захватывать свободные электроны и становиться относительно малоподвижными отрицательными ионами. Удаление из межэлектродного промежутка легко подвижных электронов затрудняет развитие электрических разрядов, вследствие чего пробивное напряжение возрастает. К электроотрицательным газам относятся многие газы, в состав молекул которых входят фтор, хлор, бром и другие электроотрицательные атомы. Газы, применяемые в качестве электрической изоляции, должны удовлетворять таким требованиям: а) быть химически инертными и не вступать в реакции с материалами, в сочетании с которыми они применяются, б) быть химически стойкими в электрическом разряде (при ионизации) и не выделять химически активных веществ, в) обладать низкой температурой снижения, допускающей их применение при повышенных давлениях (с повышением давления температура снижения газа возрастает), е) обладать высокой теплопроводностью и д) иметь невысокую стоимость, чтобы их применение было экономически целесообразным. Кроме того газы должны быть негорючими, взрывобезопасными, нетоксичными и не образовывать при ионизации токсичных соединений. В таблице 1 приведены важнейшие свойства некоторых газов (соответствующие параметры воздуха приняты за единицу).

Таблица 1 — Свойства газов по отношению к свойствам воздуха

2. Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице.

Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы.

Диэлектрическая проницаемость газов возрастает с увеличением давления. Для воздуха диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях равна 1,58. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 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. В таблице 2 приведены показатели преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов.

Таблица 2 — Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость некоторых газов

Влияние влажности воздуха на его диэлектрическую проницаемость (при нормальных температуре и давлении) таково:

Относительная влажность воздуха, % 0 50 100

Диэлектрическая проницаемость 1,58 1,60 1,64

Это влияние незначительно при нормальной температуре, но заметно усиливается при повышенной температуре.

3. Электропроводность газов

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.

С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.

В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс, как известно, называется рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникнет ток. Часть ионов при этом нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.

На рисунке 1 показан характер зависимости тока от напряжения. Начальный участок кривой до напряжения Uн соответствует области выполнения закона Ома, когда запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой.

Рисунок 1 — Зависимость тока в газе от напряжения Ток насыщения достигается для воздуха в нормальных условиях при расстоянии между электродами в 10 мм и напряженности поля около 0,6 В/м. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно 10^-15 А/м². Поэтому воздух можно рассматривать как весьма совершенный диэлектрик до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации.

При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность, и ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения.

4. Диэлектрические потери в газах

газ диэлектрический давление рекомбинация

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводности, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике.

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.

Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Величина тангенса угла диэлектрических потерь может быть вычислена по формуле:

где f частота, Гц;

удельное электрическое сопротивление, Омм.

Объемное удельное сопротивление газов порядка 10¹⁶ Омм, диэлектрическая проницаемость близка к единице и тангенс угла диэлектрических потерь на промышленной частоте менее 410^-8.

При высоких напряжениях и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. По возрастанию тангенса угла диэлектрических потерь с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции (рисунок 2). Кривую tgд=f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация потери в газах возрастает настолько, что явление ионизации может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U₀.

Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

Рисунок 2 — Изменение tgд в зависимости от напряжения для изолятора с воздушными включениями На линиях электропередач высокого напряжения потери на ионизацию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают к.п.д. линии.

5. Пробой газов

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах.

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи служит воздух.

Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с электрической прочностью большинства жидких и твердых диэлектриков.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и л постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью.

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион. Присоединение, «прилипание» электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону. Она колеблется у разных газов от 0,75 до 4,5эВ.

В инертных газах в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте отрицательные ионы не возникают. При разряде в воздухе образуются положительные ионы О⁺, О₂⁺, N⁺, N₂⁺, NO⁺.

Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, должны вызывать ионизацию газа. В действительности при энергиях до сотни и тысячи электронвольт соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами объясняется тем, что электроны имеют большую подвижность, чем ионы. Кроме того, отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газа, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим электроном нейтральной частицы, то условия для отщепления электрона оказываются неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону при ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции. В явлениях разряда в газе, находящемся между металлическими электродами, положительные ионы высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее, как указывалось выше, в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особенно быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рисунке 3 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала стримера происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и, таким образом, лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Рисунок 3 — Схематическое изображение распространения стримера при пробое газа Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 3· 10⁸ м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ, показанной на рисунке 3, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину большой стрелки CD, показанной на том же рисунке.

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы.

Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к 10¹² ионам в 1 см³), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительным пространственным зарядом в головную часть положительного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны.

В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет от 10^-7 до 10^-8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается.

Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях может доходить до 1,5.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой.

Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле.

Однородное поле можно получить между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ними. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник имеет достаточную мощность. Появление искры при известном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения (измерение высоких напряжений с помощью шаровых источников).

Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния между электродами имеет следующий вид. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °C, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3,2 МВ/м; она достигает 70 МВ/м при h=5 мкм.

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т.е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. Поэтому для расчета пробивных напряжений воздуха применяется формула

(1)

где U_пр пробивное напряжение при данных температуре и давлении;

U_np0 пробивное напряжение при нормальных условиях (t=20°С и р=0,1 МПа);

д относительная плотность воздуха, рассчитанная по соотношению (при нормальных условиях д=1).

При больших давлениях и соответственно повышенной плотности газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше, тем самым уменьшается длина свободного пробега электронов, и, как следует из формулы (1), для того чтобы пробой произошел, должна быть увеличена напряженность поля.

При уменьшении давления вначале наблюдается падение электрической прочности, как это видно из рисунка 4, когда же давление доходит до некоторого предела, ниже атмосферного давления, и разряжение достигает высоких степеней, электрическая прочность начинает снова возрастать. Это возрастание объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема при сильном разрежении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия).

Рисунок 4 — Зависимость электрической прочности газа от давления В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электродов. Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты, Газы при больших давлениях применяются в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения.

Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличаются от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы, и т. д.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В случае электродов игла плоскость и положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Это объясняется следующим образом. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется «облако» из положительно заряженных ионов молекул, с орбит которых сорваны электроны. При положительной полярности на игле этот объемный заряд служит продолжением иглы и сокращает протяженность разрядного промежутка. Положительный объемный заряд отталкивается и уходит от положительно заряженной иглы, однако, более подвижные электроны, обусловливающие процесс ионизации, все время успевают его восстанавливать, т. е. получается картина «прорастания» положительного объемного заряда, связанного с иглой, в сторону отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем в случае противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует иглу с отрицательной полярностью от плоскости, заряженной положительно.

Сравнение пробивного напряжения воздуха в резко неоднородном поле при низкой и высокой частотах показывает следующее. При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами. Этого не наблюдается при промышленной частоте, где зависимость практически линейная.

6. Газы с высокой электрической прочностью

Исследовано большое количество электроотрицательных газов и паров, у некоторых из них электрическая прочность выше электрической прочности воздуха в 6−10 раз. Так, у тетрахлорметана (CCl₁) она выше в 6,3 раза, у фтордиметилциклогексана (C₈F₁₆) — в 8,5 раза, у фторфенантрена — в 10 раз. Но газы с относительной электрической прочностью (по отношению к воздуху) выше 3−4 не удовлетворяют некоторым из требований, предъявляемых к газам, используемым в качестве электроизоляционного материала. В основном — это недостаточно низкая температура снижения, в результате чего газ при сжатии переходит в жидкое состояние; у многих газов недостаточна химическая стойкость и происходит образование активных продуктов.

В настоящее время наиболее широко применяется гексафторид серы (SF₆), названный впервые исследовавшим его профессором Б. М. Гохбергом элегазом («электрическим газом»). Элегаз нетоксичен, негорюч, химически инертен — не реагирует с медью, алюминием, серебром, нержавеющей сталью. Он не разлагается под действием воды, кислот, щелочей; на него не действуют галогены, кислород, водород и др. Разряды в элегазе в присутствии органической электрической изоляции приводят к образованию SO₂F₂, SO₂, HF. При — 62^оС упругость пара над твердым SF₆ равна 0,1 МПа. Теплопроводность элегаза равна 0,0136 Вт/(м· ^оС) (при 70 ^оС), удельная теплоемкость 0,598 кДж/(кг· ^оС) (при 20 ^оС). Рабочая температура элегаза принимается равной 150 ^оС.

Рисунок 5 — Относительная электрическая прочность элегаза (по отношению к сухому воздуху) при различных расстояниях между электродами. Частота 60 Гц, давление 0,1 МПа.

Рисунок 6 — Зависимость пробивного напряжения элегаза (действующие значения) при различных расстояниях между электродами от давления. Плоские электроды диаметром 105 мм с закругленными краями. Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами, мм.

В однородном электрическом поле элегаз подчиняется закону Пашена. Рисунок 5 показывает, что относительная электрическая прочность элегаза по отношению к сухому воздуху в неоднородных полях зависит от расстояния между электродами и в резко неоднородных полях значительно выше, чем в однородном поле. На рисунке 6 представлена зависимость пробивного напряжения (действующие значения) от давления элегаза при различных расстояниях между электродами в виде пластин с закругленными краями, т. е. в достаточно однородном поле. Такая же зависимость для элегаза, но при постоянном напряжении представлена на рис. 7. Электрическая прочность элегаза достигает прочности трансформаторного масла при давлении порядка 0,3 — 0,4 МПа.

Рисунок 7 — Зависимость пробивного напряжения элегаза при постоянном токе от давления. Электроды: плоскость — сфера диаметром 64 мм (сплошные кривые), две сферы (пунктирные линии). Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами, мм.

Зависимость разрядного и коронного напряжений в элегазе от давления в резко неоднородном поле стержень — плоскость представлена на рис. 8. При положительной полярности стержня разрядное напряжение имеет максимум в области давлений 0,4 — 0,6 МПа. Коренное напряжение при сравнительно низких давлениях значительно меньше разрядного, что указывает на целесообразность использования элегаза в более однородных полях.

Рисунок 8 — Зависимость разрядного и коронного напряжений в элегазе от давления. Промежуток плоскость — стержень (проволочка диаметром 0,25 мм с закругленным концом); расстояние между электродами 0,3 см. Постоянное напряжение.

На практике в герметизированных устройствах часто встречаются промежутки между коаксиально расположенными электродами. Для подобных промежутков, заполненных эелегазом, зависимость пробивной напряженности на поверхности внутреннего цилиндра от его диаметра представлена на рис. 9. При давлении 0,1 МПа влияние материала внутреннего электрода на величине Е_пр не сказывается, при более высоких давлениях наблюдаются более низкие значения пробивной напряженности при применении электродов из стали и алюминия по сравнению электродов из латуни (максимальное снижение 10 — 12%). Материал внешнего электрода не влияет на величину пробивной напряженности.

Рисунок 9 — Зависимость электрической прочности (амплитудные значения) на поверхности внутреннего цилиндра от его диаметра Цифры у кривых обозначают давление элегаза, МПа. Переменное напряжение 50 Гц.

Элегаз применяется и в смеси с азотом, в частности при заполнении устройств с большим объемом или в установках, работающих при низких температурах окружающей среды. На рис. 10 приведены кривые, выражающие зависимость пробивного напряжения смеси элегаза с азотом (между двумя шарами диаметром 50 мм при переменном напряжении) от процентного содержания элегаза. Как видно, уже при содержании в смеси 20 — 40% элегаза пробивное напряжение мало отличается от U_пр чистого элегаза. Пробивное напряжение смеси с 10% смеси элегаза при давлении 0,5 — 0,7 МПа соответствует U_пр азота при давлении 1,0 — 1,5 МПа. В неоднородных полях между электродами острие — плоскость с повышением давления с 0,1 до 0,6 МПа пробивное напряжение смеси последовательно проходит через максимум и минимум.

Благоприятными электроизоляционными свойствами обладают перфорированные углеводороды, т. е. углеводороды, в которых все атомы водорода заменены атомами фтора. Они отличаются повышенной нагревостойкостью вследствие большой величины энергии связи углерод — фтор. Многие из них химически стойкие, не взаимодействуют с металлами и твердыми электроизоляционными материалами, малотоксичны, негорючи. Теплопроводность этих газов в 3 — 5 раз выше теплопроводности азота.

7. Область применения

Газообразные диэлектрики широко используются при изготовлении высоковольтных аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники и др.), кроме того, воздух окружает большое число электротехнических установок, а в ЛЭП является основной изолирующей средой. В ряде электрои радиотехнических, радиоэлектронных устройств и приборов используются различные газонаполненные элементы, где важны не только общефизические свойства газов, но и их электрические характеристики.

Сжатый воздух применяется 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 выключателей для удаления осаждающейся на них влаги. В выключателях с воздухонаполненным отделителем, а также в выключателях серий ВВБ, ВНВ и др. сжатый воздух выполняет роль основной изолирующей среды между главными контактами выключателя, находящегося в отключенном положении.

Потенциальная энергия сообщается воздуху в процессе его сжатия. Запасенная энергия используется затем в пневматических приводах для совершения механической работы. А в воздушном выключателе потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию струи расширяющегося сжатого воздуха и используется для гашения электрической дуги, возникающей между контактами выключателя при его отключении. Для работы воздушных выключателей сжатый воздух накапливается в резервуарах этих выключателей. В свою очередь резервуары пополняются от установок, предназначенных для получения сжатого воздуха. Элегаз является необходимой средой для применения в энергетике, где он используется, как гасящий и изолирующий компонент в закрытой среде и в коммутационной аппаратуре высокого напряжения. Отличные свойства элегаза обеспечивают экономичную работу оборудования с низкой частотой технического обслуживания. По сравнению с обычным оборудованием, компактность обеспечивается до 90%.

Применение элегаза позволяет при прочих равных условиях увеличить токовую нагрузку на 25% и допустимую температуру медных контактов до 90 °C (в воздушной среде 75°С) благодаря химической стойкости, негорючести, пожаробезопасности и большей охлаждающей способности элегаза.