Mètodes per millorar la força elèctrica dels mitjans gasosos

Per tal de reduir la mida de les instal·lacions elèctriques, sempre s’espera que la longitud del buit d’aire o la distància d’aïllament sigui el més petita possible. Per a aquest propòsit, s’han de prendre mesures per millorar la força elèctrica del medi de gas. Des d’un punt de vista pràctic, hi ha dues maneres d’augmentar la tensió d’avaria de la bretxa d’aire: una és millorar la distribució de camp elèctrica a la bretxa d’aire per fer -la el més uniforme possible; L’altra és intentar debilitar o suprimir el procés d’ionització al medi de gas. Els mètodes específics són:

1. Millora la forma de l’elèctrode per millorar la distribució del camp elèctric

Com més uniforme sigui la distribució del camp elèctric, més gran és la força mitjana del camp de desglossament de la bretxa de l’aire. Per tant, es pot reduir la màxima resistència al camp elèctric a la bretxa de l’aire, es pot millorar la distribució del camp elèctric i es pot augmentar la tensió d’avaria de la bretxa d’aire millorant la forma de l’elèctrode (augmentant el radi de curvatura de l’elèctrode, eliminant el cabell i les cantonades afilades a la superfície de l’elèctrode, etc.).

L'ús de blindatge per augmentar el radi de curvatura de l'elèctrode és un mètode comú. Prenent el buit d’aire “de la placa de vareta” amb la pitjor força elèctrica com a exemple, si s’instal·la una bola metàl·lica amb un diàmetre adequat al final del pol de la varilla, es pot augmentar efectivament la tensió d’avaria de la bretxa d’aire.

Els punts de venda d’alta tensió de molts dispositius elèctrics d’alta tensió (com ara l’extrem superior de la barra de guies d’alta tensió dels equips d’alimentació) tenen formes nítides i les cobertes de blindatge sovint són necessàries per reduir la força màxima de camp a l’espai proper a les sortides i augmentar la tensió d’inici de la corona. La forma i la mida de la coberta de blindatge han de ser seleccionades de manera que la seva tensió d'inici de la corona sigui superior a la tensió màxima de treball del dispositiu a terra. La coberta de blindatge més simple és, per descomptat, un pal de blindatge esfèric.

Exemples d’aplicar el principi de blindatge per millorar la distribució del camp elèctric a les línies de transmissió de tensió ultra-alta per augmentar la tensió d’inici de la corona inclouen: accessoris protectors (igualats) instal·lats en cadenes aïllants de línies de tensió ultra-alta i conductors de diàmetre ampliat utilitzats en línies de tensió ultra-alta.

2. Utilitzant la càrrega espacial per millorar la distribució de camp elèctric

Com que la descàrrega de corona s’ha de produir abans que es descompongui la bretxa d’aire del camp elèctric extremadament desigual, en determinades condicions, la càrrega espacial generada per la descàrrega en si també es pot utilitzar per ajustar i millorar la distribució del camp elèctric a l’espai per augmentar el voltatge d’avaria de la bretxa d’aire. Prenent les llacunes d’aire “placa de filferro” i “filferro” com a exemples, quan el diàmetre del fil es redueix fins a cert punt, la tensió d’avaria de freqüència de potència de la bretxa d’aire augmentarà amb la reducció del diàmetre del fil, donant lloc a l’anomenat “efecte de fil prim”. El motiu és que la capa de càrrega espacial uniforme formada per la descàrrega de corona del fil prim pot millorar la distribució de camp elèctric a la bretxa de l’aire, donant lloc a un augment del voltatge d’avaria; Quan el diàmetre del fil és gran, ja que la superfície del filferro no pot ser absolutament llisa, la descàrrega en forma de corona i en forma de raspall apareixerà en algunes parts abans que la corona global uniforme es produeixi a tota la superfície, de manera que el seu voltatge de desglossament és similar al de la "placa de vareta" o "bretxa de vareta".

3. Ús de barreres

Atès que la distribució de camp elèctric a la bretxa de l’aire i el procés de desenvolupament de la descàrrega de gas estan estretament relacionats amb la generació, el moviment i la distribució de les partícules carregades a l’espai de la bretxa de l’aire, col·locar una barrera amb una forma i posició adequades en la bretxa d’aire que poden dificultar el moviment de les partícules carregades i ajustar la distribució de càrrega espacial és també una forma eficaç de millorar la força elèctrica del medi de gas.

La barrera està feta de material aïllant, però el seu propi rendiment d’aïllament no és important. El que és important és el seu segellat (la capacitat de bloquejar les partícules carregades). Generalment s’instal·la a la bretxa de Corona i la seva superfície és perpendicular a les línies elèctriques.

L’efecte de la barrera depèn de la càrrega espacial del mateix signe que l’elèctrode de corona que bloqueja, de manera que es pot reduir la força del camp elèctric espacial entre l’elèctrode de la corona i la barrera, fent que la distribució de camp elèctric de tot el bretxa d’aire sigui uniforme. Tot i que la força del camp elèctric espacial entre la barrera i l’altre elèctrode s’incrementa en aquest moment, la seva forma de camp elèctric s’assembla més al camp elèctric uniforme entre dos elèctrodes plans, de manera que es millora la força elèctrica de tota la bretxa d’aire.

La tensió d’avaria de la bretxa d’aire de la barrera té molt a veure amb la posició d’instal·lació de la barrera. Si es tracta d’una bretxa d’aire “enganxada”, els dos elèctrodes tindran descàrrega de corona, de manera que s’hauria d’instal·lar la barrera a prop dels dos elèctrodes per obtenir resultats.

Sota la tensió d’impuls, l’efecte de la barrera és menor perquè la càrrega espacial acumulada a la barrera és menor en aquest moment.

Evidentment, la barrera és difícil de tenir un paper en el cas d’un camp elèctric uniforme o lleugerament no uniforme.

4. Utilitzeu la pressió de l’aire elevada

La força elèctrica de l’aire a pressió normal és relativament baixa, aproximadament 3 0 kV/cm. Tot i que es prenen les mesures anteriors per millorar el camp elèctric el màxim possible, la força mitjana del camp de desglossament no pot superar aquest límit. Es pot veure que la força elèctrica de l’aire a pressió normal és molt inferior a la dels medis sòlids i líquids generals. Tanmateix, si l’aire es comprimeix i la pressió és molt superior a 0,1MPa (1ATM), la seva força elèctrica també es pot millorar significativament. Això es deu principalment a l’augment de la pressió de l’aire pot reduir molt la longitud de la ruta lliure dels electrons, debilitant i inhibint el procés d’ionització. Si l’aire pot ser substituït per uns gasos d’alta resistència elèctrica (com ara hexafluorur de sofre) mentre s’utilitza una pressió alta, es poden obtenir millors resultats.

5. Utilitzeu gas d’alta resistència elèctrica

Entre els molts gasos, alguns gasos altament electronegatius que contenen elements halògens [com ara hexafluorur de sofre i freó tenen una força elèctrica especialment alta (molt superior a l’aire), de manera que es poden anomenar gasos elèctrics d’alta resistència. Utilitzar aquests gasos per substituir l’aire pot augmentar molt la tensió d’avaria de la bretxa d’aire i, fins i tot, barrejar alguns de gasos a l’aire pot augmentar significativament la seva resistència elèctrica.

Cal assenyalar que per a que aquest tipus de gas s’apliqui pràcticament en enginyeria, no n’hi ha prou amb confiar només en la seva alta resistència elèctrica. També han de complir alguns altres requisits, com ara: ① Temperatura de liquidació baixa (de manera que es pot utilitzar una pressió elevada de gas alhora); ② Una bona estabilitat química, no és fàcil de descompondre, cremar o explotar, i no produir substàncies tòxiques quan es produeix descàrrega al gas; ③ No és massa difícil de produir i ni massa car.

Hi ha molt pocs gasos que poden complir tots els requisits anteriors alhora. Actualment, l’únic gas elèctric d’alta resistència que s’ha utilitzat àmpliament en l’enginyeria és SF6 i el seu gas mixt. A més de la seva alta resistència elèctrica, SF6 Gas també té una excel·lent capacitat d’extinció d’arc i altres propietats tècniques relacionades també són força bones. Diversos equips d’energia i combinació tancada electrodomèstics fabricats amb gas SF6 com a medi aïllant i un medi d’extinció d’arc tenen una sèrie d’avantatges destacats, com ara estalviar molt l’espai i el volum d’espai, un funcionament segur i fiable, instal·lació i manteniment simplificats, etc., de manera que les perspectives de desenvolupament són molt àmplies.

6. Utilitzeu el buit alt

L’ús d’un buit alt també pot debilitar el procés d’ionització de col·lisió a la bretxa d’aire i augmentar significativament la tensió d’avaria de la bretxa d’aire. Si el procés de desglossament en el buit elevat s’explica completament per la teoria de la descàrrega de gas, la tensió d’avaria resultant serà extremadament elevada (en aquest moment, és difícil que els electrons xoquin amb molècules neutres en creuar la distància entre elèctrodes i és difícil provocar prou ionització de col·lisió). Tanmateix, la situació real no és així. Quan la distància entre elèctrode és petita, la intensitat elèctrica de l’elevat buit és de fet molt elevada, i fins i tot pot superar la del gas SF6 comprimit. Tanmateix, quan la distància entre elèctrode augmenta, la tensió augmenta lentament i la seva intensitat elèctrica és significativament inferior a la força del camp de desglossament del gas comprimit. Això indica que el mecanisme de desglossament de l’alt buit ha canviat en aquest moment i ha sorgit un nou procés físic, de manera que ja no es pot explicar simplement per la teoria anterior de la descàrrega de gas.

La investigació en desglossament al buit demostra que quan la distància entre elèctrode és petita, el desglossament del buit alt està relacionada amb la forta emissió de camp a la superfície del càtode. El corrent causat per ell provocarà la calefacció local de l’elèctrode i alliberarà gas metàl·lic, provocant que el grau de buit caigui i causi la ruptura; Quan la distància entre elèctrode és gran, la ruptura serà causada per l'anomenat "efecte de tensió completa". En aquest moment, a mesura que la distància entre elèctrode i la tensió d’avaria augmenten, els electrons poden acumular molta energia cinètica quan volen des del càtode a través del buit fins a l’ànode. Aquests electrons d’alta energia alliberaran ions i fotons positius en bombardejar la superfície de l’anode, cosa que reforçarà la ionització superficial del càtode. Aquesta acció repetida produirà cada cop més flux d’electrons, fent que l’elèctrode es vaporitzi localment i porti a la ruptura de la bretxa. Aquest és l'anomenat "efecte de tensió completa".

A causa d'això, a mesura que augmenta la distància entre elèctrode, la força mitjana del camp de desglossament es farà més petita i menor. La tensió d’avaria de la bretxa de buit està relacionada amb molts factors com el material d’elèctrodes, l’acabat superficial i la neteja (inclosa la quantitat i el tipus de gas adsorbit), de manera que està molt dispersa.

No hi ha molts casos en què el buit alt s’utilitza realment com a medi aïllant en equips d’alimentació, principalment perquè diversos medis sòlids o líquids s’utilitzen majoritàriament en l’estructura d’aïllament de diversos equips. Agradaran gradualment gas al buit, cosa que dificulta el manteniment del buit alt durant molt de temps. Actualment, el buit alt només s’utilitza en els interruptors de buit. El buit no només té un bon rendiment d’aïllament, sinó que també té una forta capacitat d’extinció d’arc, de manera que encara és molt adequat per als interruptors de circuit de buit a les xarxes de distribució.