51981615 P Tusaliu Tehnica Tensiunilor Inalte Curs

7/28/2019 51981615 P Tusaliu Tehnica Tensiunilor Inalte Curs

1/244

1

SISTEME DE IZOLAIE I INGINERIA TENSIUNILOR NALTE

INTRODUCERE

Ingineria Tensiunilor nalte (I.T.I.), reprezint o ramur a tiinelor tehnice, o disciplin

profilatoare pentru domeniile de profil electric (electrotehnic, electroenergetic).Aceasta a aprut ca o necesitate, odat cu darea n funciune a primelor instalaii de nalttensiune, avand ca obiectiv central proiectarea, construirea, ncercarea, exploatarea i proteciadispozitivelor electroizolante, n concordan cu tensiunile nominale de funcionare (pentruregimul de lung durat), ct i cu supratensiunile posibile (corespunztoare regimului de scurtdurat, de avarie). n paralel cu acest obiectiv central, s-au mai alturat i alte obiectivecomplexe, legate de dezvoltarea reelelor electrice de mare putere, cum ar fi:

- lichidarea avariilor, deconectarea rapid i selectiv a poriunilor de reea cu izolaiedefecti restabilirea funcionrii normale a reelei;

- creterea puterii centralelori necesitatea stabilirii interconexiunilor prin linii lungi denalt tensiune (cu probleme de funcionare n paralel a mainilor sincrone, stabilitatea

funcionrii acestora la apariia scurtcircuitelor, calculul curenilor de scurtcircuit etc);- aciunea perturbatoare i periculoas a liniilor de nalt tensiune asupra liniilor detelecomunicaii (stabilirea unor distane admisibile, msuri de protecie);

- necesitatea realizarii unor laboratoare specializate de nalt tensiune (LIT), care sreproduc, s modeleze i s msoare riguros diferitele tipuri de solicitri din exploatare aleizolaiei (supratensiuni atmosferice, supratensiuni de comutaie etc).

Prin problemele tratate, T.T.I. i gsete aplicabilitatea i n alte domenii cum ar fi:radiotehnic, tehnica nuclear, fizic etc.

Domeniul tensiunilor nalte cuprinde, n general, tensiunile ce depesc valoarea deV1000 , acesta fiind submprit n urmtoarele clase de izolaie electric[1]:

Medie tensiune (MT, clasa A): kVUkV n 521


2/244

2

Tabelul nr. 4.Evoluia tensiunilor nominale ale L.E.A.

Nr.crt.

Tensiuneanominal kV

ara Anul Observaii

1. 15 S.U.A. 1891 Tronson de 70 km, c.a.2. 15 Romania 19003. 100 S.U.A. 1907

5. 110 S.U.A. 1907-1908Linie cu nulul pus efectiv

la pmnt6. 110 Europa 1912

7. 25 Romania 1915Resita-Anina, tronson de

50 km8. 220 S.U.A. 1923 Linie cu nulul izolat9. 60 Romania 1924 Floreti-Bucureti

10. 220 Germania 1929

11.

110

Romania 1934 Dobreti-Bucureti

12.. 275 S.U.A. 1937

13. 380 Suedia 1952Linia Kuibev-Moscova

lung de 1000 km

14. 400 U.R.S.S. 1955Linia Kuibev-Moscova

prin trecerea de la 400 kV/la 500 kV

15. 500 U.R.S.S. 195516. 220 Romania 1962 Bicaz-Fntnele

17. 735 Canada 1963Linie combinat de

330 kV

18. 400 Romania 1964

Ludu- Mukacevo-

Lemeshany19. 750 U.R.S.S. 1966-1967 Linie experimental

20. 1050 Frana 1969Renardieres-Franta

(Tronson experimental)

21.

cc/ca 600cc/ca 1200cc/ca 1500

S.U.A.In

perspectivLa nivel de cercetare-

experimentare

22.1000-12001800-2000

RusiaIn

perspectivLa nivel de cercetare-

experimentare

Un alt bilan fcut n 1974 ne arat drumul ascendent, destul de rapid, al

Electroenergeticii romneti: 11412 km linii de 110 kV, 3317 km linii de 220 kV i 1020 linii de400 kV. Ulterior s-a construit un tronson pentru treapta de tensiune de 750 kV, n Dobrogea,Staia Isaccea, care face interconexiunea ntre sistemele electroenergetice din fosta UniuniiSovietici Bulgaria.

Sigurana n funcionare a sistemelor electroenergetice, a echipamentelor i instalaiilorelectrice este determinat, n principal, de comportarea izolaiei electrice.

Izolaia electric reprezint acea parte constituent a unui echipament, instalaii, sistemcare izoleaz electric prile conductoare fa de mas (pmnt) i ntre ele (ntre faze), pentreaga sa durat de via.

Izolaia electric se realizeaz cu materiale i medii electroizolante solide, lichide igazoase. Aceasta poate fi: externi, respectiv, intern.

Izolaia externeste format din elemente electroizolante i distane de izolaie aflate naer, fiind supus, n afara solicitrilor electrice i unui ansamblu de solicitri cauzate de mediul


3/244

3

nconjurtor (presiune, temperatur, umiditate, poluare), care degradeaz, n timp, proprietiledielectrice ale materialelor constituiente.

Izolaia intern este format din elemente electroizolante solide, lichide sau gazoase,fiind supus numai solicitrilor electrice.

Se impune, aadar, pentru izolaiile de medie, nalti foarte nalt tensiune, pe lng

proiectarea riguroas, realizat pe baze tiinifice i construcia deosebit de atent, cu tehnologiicorespunztoare, precum i atestarea (verificarea, ncercarea) comportrii acestora, la posibilesolicitri din exploatare (modelate n laboratoare specializate de tip LIT).

Pentru izolaiile de nalt tensiune, principalele solicitri sunt de natura electric, acesteafiind produse de:

- tensiunea nominal cu aciune ndelungat (pe durata de via a izolaiei), n regimulnormal de funcionare;

- creteri de scurt durat ale tensiunilor, care pot aprea n regimuri tranzitorii sau deavarie i care pot depi, cu mult, valoarea tensiunii nominale, numite supratensiuni.

Dupa originea lor, supratensiunile se clasific n:- Supratensiuni atmosferice (STA) sau externe, produse ca urmare a descrcrilor

atmosferice (cauze externe ale sistemului electroenergetic) i care pot lua natere:- ca urmare a loviturii directe de trznet pe elementele sistemului electroenergetic;- ca urmare a apariiei unor tensiuni induse n elementele sistemului electroenegretic, laloviturile de trznet, din apropierea instalaiilor de nalt tensiune.- Supratensiuni interne (STI), produse de cauze interne ale sistemului electroeneregetic,

ce pot fi determinate de apariia unor procese tranzitorii ntreinute de t.e.m. din sistemulelectroenergetic, precum:

- manevre de comutare operative;- manevre dictate de lichidarea unor regimuri de avarie etc.Izolaia trebuie s fac fa tuturor solicitrilor electrice care apar pe durata exploatrii,

distrugerea acesteia, producnd grave avarii, perturbaii i prejudicii n sistemul electroenergetic.Pentru a evita astfel de situaii critice, izolaia trebuie realizat, n acord cu principiul

Coordonrii izolaiei, la Nivelul de inere (NT) sau Tensiunea de inere ( )tU .Nivelul de inere (NT) reprezint cea mai mare tensiune alternativi de impuls la

care izolaia rezist (0 % descrcri electrice).Dac se are n vedere rigiditatea dielectric a unui material izolant, trebuie s se

defineasc cel puin trei mrimi ale tensiunii de inere:- tensiunea de inere de frecven industrial, care caracterizeaz comportarea izolaiei la

aciunea ndelungat a tensiunii de lucru;- tensiunea de inere la unda de impuls de trznet, care caracterizeaz comportarea

izolaiei la aciunea supratensiunilor atmosferice.

- tensiunea de inere la unda de impuls de comutaie, care caracterizeaz comportareaizolaiei la aciunea supratensiunilor interne.Ca principiu fundamental n T.T.I., Coordonarea izolaiei reprezint un ansamblu de

msuri luate n scopul prentmpinrii supratensiunilor, iar dac din motive tehnico-economiceacest lucru nu este oportun, s fie dirijate acestea n acele puncte (locuri) ale sistemuluielectroenergetic unde efectele i pagubele s fie minimale. De fapt, Coordonarea izolaiei,nseamn corelarea a dou nivele: Nivelul de inere (NT) adoptat al izolaiei cu Nivelul de

protecie (NP), realizat cu mijloacele de protecie mpotriva supratensiunilor (descrctoareleelectrice).

Nivelul de protecie (NP) reprezint cea mai mic tensiune la care lucreaz, cert,aparatul de protecie (100 % descrcri electrice).

O alt problem foarte importanta la nalt i foarte nalt tensiune este legat deinfluena distribuiei spaiale i a intensitii cmpului electric asupra izolaiei electrice, mediuluiambiant, regnului vegetal i animal, dar mai ales asupra fiinei umane [1].


4/244

4

n procesul de exploatare, izolaia electric poate fi supus unui ansamblu de solicitri denatur: electric, termic, mecanic, chimic, bacteriologic, condiiilor de mediu etc. Datoritacestor factori i solicitri, asistm la procesul de mbtrnire al izolaiei, care conduce ladegradri structurale n masa acesteia, la pierderea proprietilor iniiale, la micorarea rigiditiidielectrice

sub limita tensiunii de inere i, n final, scoaterea prematur din funcionare, adic micorareaduratei de via. Proprietile electroizolante pot fi reduse complet sau incomplet, definitiv sautemporar, atunci cnd, sub aciunea cmpului electric, se produce creterea conductivitiielectrice a dielectricului. Evaluarea comparativ a dielectricilor se face n funcie de rigiditateadielectric, aceasta reprezentnd valoarea maxim a intensitii cmpului electric, pe care o

poate suporta un material electroizolant, fr a-i pierde proprietile electroizolante. Ea sedetermina n cmp electric uniform (cu electrozi i distane de izolaie standardizate, normate) ise exprim:

=cm

kV

d

UE dd ,

unde:dU este tensiunea de descrcare disruptiv iar d este distana standardizat.

Dac solicitrile electrice depesc nivelul de inere al izolaiei, se producedescrcarea disruptiv. Acesta poate fi sub forma de descrcare superficial(conturnare)sau descrcare transversal (strpungere).

Conturnarea reprezint descrcarea pe suprafaa de separaie a dou mediielectroizolante i este, n general, autoregenerativ (izolaia i reface proprietileelectroizolante n urma descrcrii).

Strpungerea reprezint descrcarea prin mediul dielectric (transversal) i, pentruizolaiile solide, este neautoregeneratoare (nu se mai refac proprietile electroizolante).

n afara acestor descrcri electrice finalizate, n izolaii mai pot apare descrcri

locale, limitate (nefinalizate), care degradeaz izolaia, slbindu-i proprietile electroizolantei micorndu-i durata de via.

Distrugerea izolaiei atrage dup sine grave avarii, n special scurtcircuite, puneri la mas,pierderi i ntreruperi de energie electric. Pentru a preveni astfel de situaii, este necesar ca, pelng msurile de concepie, construcie i exploatare calitative ale izolaiilor, periodic acestea sfie supuse unor verificri i analize preventive, n scopul stabilirii gradului de uzur.

Msurile tehnico-organizatorice care nglobeaz metodele de ncercare preventiv iintervalul de timp n care trebuiesc efectuate definesc profilactica izolaiei.

Din astfel de motivaii, msurtorile, verificrile i ncercrile experimentale au impusrealizarea unor laboratoare specializate, cu dotri tehnice deosebit de pretenioase sub aspectulasigurrii nivelului de tensiune al surselor, al aparatajului de msur, control i nregistrare,

precum i al condiiilor de ncercare.Principalele laboratoare de nalt tensiune, n ordinea cronologic a intrrii lor n

funciune i principalele caracteristici ale acestora sunt prezentate n tabelul nr.5 [1].Cel mai mare laborator de nalt tensiune de la noi din ar este cel de la ICMET Craiova.Datorit fenomenelori evenimentelor numeroase i complexe ivite, att n exploatarea

sistemelor electroenergetice i a modelarii i testrii acestora n cadrul laboratoarelor specializatei tronsoanelor experimentale, ct i n construcia de echipament electric, n perspectiva cert acreterii continue a valorii tensiunilor nominale de transport a energiei electrice, se impune ca onecesitate, pentru viitorii specialiti n profilul electric i energetic, asimilarea riguroas anoiunilor teoretice i practice legate de Ingineria tensiunilor nalte, n particular, de Tehnica

tensiunilor inalte. Ca probleme generale de perspectiv, pot fi punctate:- creterea continu a tensiunii nominale de transport a energiei electrice;- generalizarea lucrului la tensiuni nalte;


5/244

5

- utilizarea construciilor electroizolante i aparatajului de nalt tensiune capsulat, bazatepe proprietile izolante foarte bune ale gazelor electronegative ( )6SF ;

- generalizarea efecturii unor activiti de exploatare, pe liniile de nalti foarte nalttensiune, fr ntreruperea tensiunii.

Tabelul nr.5.

Parametrii principalelor laboratoare de nalt tensiune din Europa.

Sursc.a.

Sursc.c.

SursimpulsNr.

crt.Laboratorul

Anulpunerii

nfunciu-

ne

Dimensiu-nile

laboratoru-lui MV

MVA

MV mA MV KWs

1. UR Dresda 1949 50x38x34 2,25 5,0 - - 4,8 384

2.Furukawa Co

Tokio1954 30x24x20 1,05 1,575 1,5 30 3,6 130

3. V.U.S.E. Praga 1956 54x30x25 2,25 2,25 - - 4,0 96

4.C.E.S.I.Milano

1957 45x40x35 2,0 1,0 2,0 10 4,8 300

5.V.E.I.

Moscova1960 74x35x33 2,25 5,0 - - 7,2 420

6.K.w.H.

Hermsdorf

1968 aer liber 2,25 5,0 1,5 300 7,2 312

7.E.D.F.

Renardires1970 66x65x45 2,2 1,1 - - 6,0 400

8.IREQ

HydroQuebec1970 82x68x50 2,1 2,2 2,2 30 6,4 400

9.A.S.E.A.Ludvika

1970 55x32x35 1,5 1,5 1,0 25 4,0 375

10.ICMET-

ElectroputereCraiova

1971 84x36x27 1,8 1,8 1,2 30 4,2 192

11.Electrocera-mica Turda

1972 36x24x18 0,8 0,6 0,22 50 2,0 100

12.I.C.P.E.

Bucureti1973 36x24x18 1,2 2,0 1,2 30 1,2 144

13.ICEM ENRG

Bucureti1975 36x24x21 1,2 1,5 0,8 30 2,4 192

14.Inst. Pol.Bucureti

1975 40x24x20 1,8 1,8 1 50 3,5 140

15. Inst. Pol.Timioara 1975 15x7x6 0,35 0,175 0,4 100 0,5 4,4

TABELUL 1Niveluri de izolaie nominalizate pentru instalaii din clasa A 1 kV< Um < 52 kVSeria I bazat n special pe practica european

Tensiunea de inere nominal

la impuls atmosferic1,2/50 s[ ]maxkV

Tensiunea maxim deserviciu mU

[ ]eFkV

Grupa 1 Grupa 2

Tensiunea deinere

nominal descurt duratla frecvenindustrial

[ ]eFkV 3,6 20 40 (45) 10 (21)

7,2 40 60 20 (27)12 60 75 28 (35)17,5 75 95 38 (45)24 95 125 50 (55)

36 145 170 70

SERIAI


6/244

6

NOTA 1: Alegerea ntre grupa 1 sau 2 se face:Pentru practica european: - Dupa gradul de expunere la lovituri aleSeria I trznetului;

- la supratensiuni de manevr;- dup modul de tratare a neutrului;- dup tipul dispozitivului de protecie.

NOTA 2: Cifrele din paranteze corespund normativelor romneti mai vechi.

TABELUL 2NIVELELE DE IZOLAII NOMINALIZATE PENTRU INSTALAIIDIN CLASA B [ 52 kV Um< 300 kV]

TENSIUNEAMAXIM DE

SERVICIU mU

[ ]eFkV

BAZA DE CALCULN UNITIRELATIVE

mU

[ ]maxkV

TENSIUNEA DEINERE

NOMINAL LA

IMPULSATMOSFERIC1,2/50 s[ ]maxkV

TENSIUNEA DEINERE

NOMINAL DE

SCURT DURATLA FRECVENAINDUSTRIAL

[ ]eFkV

52

72,5

123

145

170

245

42,5

59

100

118

139

200

250

325

450

550

650

750

850*

950

1050**

95

140

185

230

275

325

360

395

460

* Normele romneti folosesc 900 kV cu 385 kV** Nivel acceptat de normele romneti

- un nivel de izolaie pentru 52 kV si 72,5kV ;- dou nivele de izolaie pentru 123 kV ;- trei nivele de izolaie pentru 145 kV si 170 kV ;- cinci nivele de izolaie pentru 245 kV si 245 kV.


7/244

7

TABELUL 3NIVELELE DE IZOLAII NOMINALIZATE PENTRU INSTALAII

DIN CLASA C [ Um 300 kV]TENSIUNEA DE

INERE NOMINALLA IMPULS DE

MANEVR

(VALOARE DE VRF)

TENSIUNEAMAXIM DE

SERVICIU

mU

[ ]eFkV

BAZA DECALCUL

N u.r.

mU

[ ]maxkV

u.r. [ ]maxkV

RAPORT NTRETENSIUNILE DE

INERE LAIMPULS DE

TRZNET I DEMANEVR

TENSIUNEADE INERE

NOMINALLA IMPULS

ATMOSFERIC

[ ]maxkV

300

362

420

525

765

245

296

343

429

625

3,06

3,47

2,86

3,21

2,76

3,062,45

2,74

2,08

2,28

2,48

750

850

950

1050

1175

1300

1425

1550

1,13

1,271,12

1,241,11

1,241,12

1,241,11

1,361,211,10

1,321,19

1,09

1,381,261,16

1,26

1,47

1,55

850

950

1050

1175

1300

1425*

1550**

1800

1950

2100

2400

* Nivel acceptat n normativele romneti pentru 420 kV.

** Nivel folosit n normativele romneti la 420 kV.


8/244

8

CAPITOLUL I

IZOLAIA ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

1.1. AERUL CA MATERIAL ELECTROIZOLANT

Aerul, ca mediu electroizolant, intr aproape n totalitate n construcia echipamenteloriinstalaiilor electrice, prezentnd i marele avantaj economic, acela al existenei naturale (de lasine).

Dezavantajele aerului constau n aceea c se preteaz la poluare, la influena factoriloratmosferici i, n timp, produce fenomenul de coroziune al metalelor. Aerul reprezint elementulizolant dintre conductoarele liniilor electrice aeriene de transport a energiei electrice sau dintre

barele staiilor de nalt tensiune, att ntre faze, ct i fa de pmnt. Strpungerea acestorintervale de aer conduce la apariia scurtcircuitelor n reelele, echipamentele i instalaiileelectrice, deci fenomene nedorite i extrem de grave n funcionarea fiabil a sistemuluielectroenergetic.

Strpungerea se definete ca fiind descrcarea electric ntre doi electrozi prin mediuelectroizolant, de la electrodul cu potenial ridicat ctre cel cu potenial sczut (chiar zero),atunci cnd ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.

Cnd mediul electroizolant este reprezentat de o izolaie solid fenomenul de strpungereeste ireversibil n sensul c izolaia nu-i mai reface proprietile electroizolante. Fenomenenedorite, cu repercursiuni asupra izolaiei electrice i funcionrii echipamentelor, produce iconturnarea, ntlnit la izolatoarele de suspensie, suport sau de trecere.

Conturnarea se definete ca fiind descrcarea electric pe suprafaa de separaie a doumedii electroizolante (solidgaz, solidlichid), de la electrodul cu potenial ridicat ctre cel cu

potenial sczut (chiar zero), cnd ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.n majoritatea cazurilor, conturnarea este un fenomen reversibil, adic izolaia i reface

proprietile dielectrice.Fenomene de strpungere sau de conturnare pot s apar i ca urmare a efectului

cumulativ al descrcrilor pariale ce iau natere n incluziunile gazoase ale izolaiilor tehnicesolide sau lichide.

Se impune deci o dimensionare riguros tiinific a izolaiilor ce conin gaze, oimportan deosebit, n acest sens, avnd-o rigiditatea dielectric, ce reprezint intensitateamaxim a cmpului electric la care o izolaie electric i pstreaz proprietile electroizolante.

1.1.1. Forme de ionizare

Conform teoriei mecanicii cuantice, un gaz ionizat conine particule (molecule i atomi)

sub form de electroni, ioni pozitivi, ioni negativi i particule neutre din punct de vedere alsarcinii electrice.

Ionii negativi iau natere ca urmare a fenomenului de asociere a unei particule neutre cuun electron. Ionii pozitivi iau natere ca urmare a procesului de ndeprtare a unuia sau maimultor electroni de pe nveliul electronic al unui atom. Aceast smulgere a unui electron de peorbit este posibil numai dac particulei respective i se aplic o energie exterioar numitenergie de ionizare wi, ce trebuie s se afle ntr-un anumit raport cu energia intern a particulei.

Diferena de potenial, necesar crerii unui cmp electric, n care electronii, ndeplasarea lor, s fie capabili s acumuleze o energie egal cu energia de ionizare, poart numelede potenial de ionizare Ui:


9/244

9

eUqUw iii == , (1.1)

unde :q este sarcina electric a particulei, n spe a electronului,

Ce 191016.1 = .Dac se consider sarcina electronului egal cu unitatea, atunci energia de ionizare este

numeric egal cu potenialul de ionizare i se msoar n electronvoli ( )eV .Energia de ionizare a gazelor este cuprins ntre 3 i 25 eV, avnd valorile cele mai mari

la gazele inerte. Dac din exterior se aplic o energia mai mare dect wi, atunci electronul sauelectronii prsesc orbita, producndu-se, astfel, un proces de ionizare.

n cazul n care energia transmis este mai mic dect cea de ionizare, electronii se vordeplasa pe un nivel energetic superior fr s prseasc nveliul electronic. Se zice c atomul(particula) se afl ntr-o stare de excitaie. Aceste stri de excitaie sunt extrem de scurte cadurat, de ordinul s87 1010 dup care electronii revin de pe nivelele de excitaie pe nivelelenormale (anterioare).

Revenirea se face cu eliberarea de energie sub form de cuante de lumin numite fotoni,energie care nu este alta dect cea folosit de electroni n trecerea lor pe nivelele energetice

superioare.Dar radiaia de energie sub form de cuante de lumin este ntlnit i n procesul de

recombinare a particulelor de semne contrare (ioni pozitivi cu electroni sau ioni negativi),rezultnd particule neutre.

n funcie de posibilitile existente i eficiente de a interveni din exterior cu energie, suntntlnite urmtoarele forme de ionizare:

a) ionizare prin oc de electroni;b) fotoionizarea n volumul gazului;c) ionizare termic;d) ionizarea la suprafaa electrozilor (superficial).

a)Ionizarea prin oc de electroni

Acest tip de ionizare are loc ca urmare a ciocnirii neelastice a unui electron cu o particulneutr, atunci cnd electronul de sarcin q n deplasarea sa n cmpul electric E pe distana x,depete pragul de ionizare ( )iwEqx > .

Deci energia este cu att mai mare cu ct cmpul electric este mai mare, respectiv pentruun interval dat, cu ct tensiunea aplicat acestuia este mai mare.

Electronul se deplaseaz n cmpul electric cu o vitezvi dac masa acestuia este m,ionizarea particulei neutre se va produce pe seama energiei cinetice a electronului, energiecinetic ce n momentul ciocnirii trebuie s fie mai mare dect energia de ionizare a gazului

respectiv

iw

mv

22

.

Dac este ndeplinit aceast condiie, particula neutr va elibera unul sau mai mulielectroni, care se vor deplasa n cmp n mod similar, rezultnd noi particule electrice.

S-a artat experimental c pot exista ionizri prin oc i fr ca aceast condiie s fiendeplinit, astfel:

a) un electron cu energie mai mic dect energia de ionizare trece n stare excitat, dupcare la o nou ciocnire a atomului cu un alt electron se produce ionizarea (ionizare ntrepte);

b) la ciocnirea unui atom excitat cu un electron, electronul preia i energia potenial a

atomului, urmnd ca la o ciocnire ulterioar cu un atom neexcitat s producionizarea acestuia;


10/244

10

c) prin ciocnirea a doi atomi excitai energia potenial a unuia se poate transmiteceluilalt, ionizndu-l.

b)Fotoionizarea n volumul gazului

Aceast form de ionizare este eficient n special n cazul n care cmpul electric aplicat

este foarte mic i const n a iradia gazul respectiv cu unde electromagnetice de energie mare.Astfel de unde se situeaz n domeniul de radiaii ultraviolete ale spectrului, de aceea oposibilitate de iradiere a gazului este dat de lampa emitoare de raze ultraviolete. Fotoionizareaare loc cnd energia cuantei de radiaii este mai mare dect energia de ionizare a gazuluirespectiv:

iWhv sauiW

ch (1.2)

unde:Jsh 341062.6 = = constanta lui Planck;

v = frecvena de oscilaie a radiaiei;

= lungimea de und a radiaiei;s

mc 8103= = viteza de propagare a undelor electromagnetice.Fotoionizarea se mai produce i ca urmare a energiei interne a gazului rezultat din

procesele de recombinare sau de revenire a electronilor de pe nveliurile superioare pe cele debaz (dac particula s-a aflat ntr-o stare de excitaie).

Dintre componentele aerului, cea mai mic energie de ionizare o are oxigenul ( )eV5.12 ,deci nu ar putea fi ionizat de radiaii ultraviolete (nu e ndeplinit condiia de fotoionizare dect

pentru m 100> ).n aer, fotoionizarea se produce pe urmtoarele ci:

a) fotoionizare n trepte;

b) formarea unei molecule dintr-un atom neexcitat i un atom excitat cu energie deionizare mai mic dect a atomului.c) Ionizarea unor particule strine aflate n suspensie n aer (praf), care au o energie

de ionizare mai mic.

c)Ionizarea termic

Prin ionizare termic se nelege procesul de ionizare ce se produce ntr-un gaz aflat latemperatur ridicat. La temperaturi ridicate n interiorul gazului respectiv se produce agitaiatermic a particulelor care face s sporeasc numrul de ciocniri a acestora, producndu-se noiionizri.

Tot ionizare termic mai este produs prin fotoionizarea gazului sub aciunea radiaieitermice emis de acesta.

d)Ionizarea la suprafaa electrozilor (superficial)

La primele trei tipuri de ionizare amintite mai sus apariia electronilor liberi era datoratunor fenomene ce aveau loc n gazul aflat n intervalul dintre cei doi electrozi.

Electronii liberi mai pot, ns, s apari prin emisie de ctre electrozi. Emiterea de catoda electronilor liberi care conduc la procese de ionizare poart denumirea de ionizare superficial.

Pentru eliberarea electronilor trebuie s se consume o anumit energie, numit energie deieire, a crei valoare depinde de natura metalului i de starea suprafeei electrodului.

Electronul, pentru a prsi catodul, trebuie s primeasc o energie cel puin egal cuenergia de ieire, energie care poate fi transmis astfel:


11/244

11

- prin nclzirea electrodului, ceea ce conduce la emisia termoelectronic;

- prin bombardarea suprafeei electrodului cu particule (ioni pozitivi), a cror energiese transmite electronilor din metal;

- prin iradierea suprafeei electrodului cu radiaii de unde scurte, electronii libericptnd astfel energie suplimentar de la fotoni;

- prin aplicarea din exterior a unui cmp electric puternic, procesul purtnd numele deemisie cu catod rece, intensitatea cmpului electric aplicat fiind extrem de mare, deordinul a 1000 kV/cm.

1.1.2. Recombinarea purttorilor de sarcin

Electronii ntr-un gaz ionizat se pot afla fie n stare liber fie ataai moleculelor neutre degaz, formnd ioni negativi. Aceast posibilitate a electronilor de a fi liberi sau legai depinde deaa-zisa energie de fuziune sau de contopire 0w , energie ce poate fi cedat sau absorbit n

timpul procesului de ataare.Deci, afinitatea moleculelor neutre la electronii liberi este dictat de aceast energie de

fuziune.Dac energia de fuziune este cedat (eliberat), ea este pozitivi se noteaz cu ( )0w+ ,

situaie ntlnit la gazele electronegative, iar dac este negativ se noteaz cu ( )0w , fiind oenergie negativ.

Pentru a extrage electronii unui gaz electronegativ din ionul negativ, trebuie s seconsume energie din exterior. Din aceast cauz gazele electronegative sunt considerate ca gazestabile (ionii negativi sunt stabili), n aceast categorie intrnd i oxigenul.

Gazul ionizat din intervalul dintre doi electrozi, conine electroni, ioni pozitivi i ioninegativi.

Sarcinile n exces, de semne contrare ale particulelor se pot neutraliza reciproc dac

intensitatea cmpului electric aplicat ntre cei doi electrozi este redus sau lipsete, fenomenulpurtnd numele de recombinare a purttorilor de sarcin.

Numrul de recombinri este mai mare dect cel care ar rezulta din numrul de ciocnirica urmare a agitaiei termice, ceea ce nseamn c intervin n proces i forele de atraciecoulombiene ntre cele dou particule de semne contrare.

Procesul de recombinare este nsoit de eliberarea de energie. De obicei electronii ntr-un

gaz se afl n continu micare, deci, posed o anumit energie cinetic

2

2mv, la recombinare,

energia eliberat fiind egal cu suma ntre energia de ionizare a atomului i energia cinetic a

electronului. La recombinarea unui electron cu un ion pozitiv, se degaj energie n special subform de radiaii (h), deci se poate spune c:

hvmv

wi =+ 2

2

(1.3)

Din recombinarea unui ion pozitiv cu unul negativ rezult o molecul neutr.La gazele electronegative pentru smulgerea electronului din ionul negativ se consum o

energie egal cu energia de fuziune ( )0w . La recombinarea a doi ioni dintr-un gaz electronegativse va elibera o energie egal cu diferena dintre ( )iw i ( )0w , ( )0wwi , energie ce poate ficedat sub form de radiaie sau poate fi consumat pentru sporirea energiei cinetice a particuleiformate.


12/244

12

Cnd intensitatea cmpului electric este foarte mic rezult c i viteza de deplasare aparticulelor este mic i, ca urmare, probabilitatea ca dou particule ncrcate cu sarcini desemne contrare s se afle una n vecintatea celeilalte, un anumit timp, este relativ mare,

probabilitatea de recombinare fiind, n astfel de situaii, mare.De regul, procesul de recombinare n acest caz depinde de timpul ct particulele de

semne contrare se gsesc n imediata apropriere una fa de de ceallalt.

Probabilitatea de recombinare ntre ioni i electroni este mult mai mic, datorit vitezelormult mai mari de deplasare a electronilor n cmp electric, n comparaie cu aceea produs ntreioni.

Notnd cu +N i N concentraiile de ioni pozitivi i negativi, numrul de particuleneutre formate n unitatea de timp i n unitatea de volum este:

++

=== NNdt

dN

dt

dN

dt

dN (1.4)

unde: este coeficientul de recombinare ionic ( )i sau electronic ( )e n scm3

(evident ei >> );

i se poate calcula cu relaiile:

( )


13/244

13

unde:k fiind o constant de proporionalitate denumit mobilitatea particulei ncrcate i este

exprimat prin raportul:

E

v

E

vk == r

r

(1.9)

Mobilitatea electronilor este mult mai mare n comparaie cu cea a ionilor datoritdiferenelor dintre vitezele de deplasare n cmpul electric. Mobilitatea ionilor kii a electronilorke se determin fcndu-se nite ipoteze diferite n cele dou cazuri.

a)Pentru mobilitatea ionilor se presupun ciocnirile perfect neelastice i c sub aciuneacmpului electric se schimb numai direcia vectorului vitez nu i modul su (deci energiacinetic rmne constant).

Astfel, spaiul (s), ntre dou ciocniri, este parcurs cu viteza jc , pe durata

j

i

c

= , (1.10)

n direcia cmpului, sub influena unei fore EqF i

rr= , particula avnd o acceleraie:

Em

qa

i

i = (1.11)

n aceste condiii:

Ecm

qaS

i

i

i

i

2

22

2

1

2

1 == (1.12)

Deci viteza medie:

E

cm

qSv

ii

ii

==2

1(1.13)

iar n virtutea relaiei (1.9):

i

ii

ii

cm

qk =

2

1. (1.14)

n aceste relaii iq i im sunt constante ale gazului, iar celelalte mrimi depind de

presiune i temperatur.

b)Pentru mobilitatea electronilor se presupune c la o ciocnire acetia cedeaz numai oparte din energia lor i le ia n considerare i modificarea energiei cinetice sub aciuneacmpului.

n absena cmpului electric se poate aplica relaia (1.13) n felul urmtor:

Ecm

qv

ee

ee=2

1(1.15)

ec determinndu-se din ecuaia de bilan energetic.

n unitatea de timp fr spaiu liber o particul va ceda:

2

2e

cc

cmnfQ = (1.16)

f fiind un factor subunitar care reprezint partea din energia cinetic cedat la ciocnire;

cn reprezint numrul de ciocniri n unitatea de timp.


14/244

14

innd cont c pe distana e exist o singur ciocnire, pe unitatea de lungime vor fie

1

ciocniri.

n unitatea de timp electronul parcurge o distan eCl , deci sufere

eC

ciocniri.

innd cont c energia cedat n unitatea de timp prin ciocnire trebuie s fie egal cuenergia primit de la cmpul electric, se poate scrie:

2

2

ee

e

e

e

cmcfEvq ==

(1.17)

Eliminnd pe Ce ntre (1.17) i (1.15) se va obine:

Em

qfv

e

ee

2

4= (1.18)

sau innd cont de (1.9)

Em

qfk

e

ee

e

1

2

4=

(1.19)

Particulele se deplaseaz nu numai n cmp electric ci i sub aciunea agitaiei termice,cnd are loc o migrare a particulelor ncrcate dinspre zonele de concentraie ridicat ctrezonele de concentraie sczut.

Aceast caracteristic a deplasrii sarcinilor electrice poart denumirea de difuzie.Difuzia este cu att mai mare cu ct concentraia de particule ncrcate este mai mare i cu ctagitaia termic a gazului este mai pronunat.

1.1.4. Ionizarea spaial prin oc de electroni

Ionizarea prin oc de electroni se realizeaz pe seama energiei cinetice a acestora, energiacare este acumulat pe drumul ntre dou ciocniri succesive cu moleculele gazului, drum carepoart denumirea de parcurs (drum) liber mediu i se noteaz cu .

Dac raza particulei n micare este r0 i aceasta se deplaseaz ntr-un gaz cu un Nparticule (de raz r) n unitatea de volum, atunci se determin cu expresia:

( ) Nrr +=

20

1

(1.20)

Dar numrul de particule din unitatea de volum are expresia:

Tk

PN

= (1.21)

unde:P = presiunea gazului;k = constanta lui Boltzman;

T = temperatura absolut a gazului.Revenind la expresia (1.20) se obine:

( ) Prr

kT

20 +

=

(1.22)


15/244

15

Deoarece n condiii atmosferice normale temperatura absolut a gazului variaz foartepuin, o putem considera constanti expresia (1.22) devine:

PA =

1 (1.23)

unde:A este un parametru funcie de temperatura i natura gazului.

Cum vitezele i deplasrile particulelor sunt diferite, se pune problema de a determina olege de distribuie a lungimii drumului liber al particulei. Dac din punctul 0=x pleac particule

ce se deplaseaz dup direcia x i o particul pe unitatea de parcurs liber mediu sufer

1 ,

ciocniri, atunci n particule vor face

n ciocniri, iar pe unitatea de lungime dx numrul ciocnirilor

va fi de

ndx .

Avnd loc ciocniri, numrul acestora va fi egal, pe distana dx, cu micorarea numrului

de particule care nu au suferit nici o ciocnire:

xn

ndx

n

dndx

n

dn

dndx

n

n

n

x

1ln;;

0 0 0 ===

=(1.24)

Rezult:

x

en

n =

0

,

unde :

0nn reprezint acea fraciune din numrul total de particule care nu au suferit ciocniri

pe distana x, sau acea fraciune din numrul total particule, pentru care parcursul liber mediueste cel puin egal cu x.

x

e

reprezint probabilitatea ca lungimea real a parcursului liber s fie cel puin egalcu x.

Pentru evaluarea noilor ionizri prin oc de electroni a noilor purttori de sarcin, fizicadescrcrilor n gaze a introdus coeficientul de ionizare prin oc de electroni care reprezintnumrul de noi ionizri, de noi purttori de sarcin produi de un electron pe unitatea delungime a parcursului liber mediu, n direcia cmpului electric. Pentru determinarea

coeficientului trebuie fcute unele ipoteze simplificatoare, ipoteze date de teoria lui Townsend:1) Electronul nu produce nici o ionizare dac energia sa cinetic este mai mic dect

energia de ionizare a gazului. Aceast ipotez nu ine seama de eventualele ionizrin trepte, de aceea se consider a avea un caracter de subevaluare.

2) Electronul ionizeaz toate particulele neutre cu care se ciocnete, dac energia sacinetic este mai mic dect energia de ionizare. Ipoteza nu ine seama de

probabilitatea de ionizare i dependena de viteza electronului, avnd deci un anumitcaracter de supraevaluare.

3) n timpul ciocnirii neelastice dintre electron i particula neutr, electronul cedeazacesteia ntreaga sa energie cinetic, ncepnd noul parcurs cu o vitez iniial nul.Electronul ns nu cedeaz ntreaga sa energie cinetic n procesul de ciocnire i, dinacest punct de vedere, ipoteza are un caracter de subevaluare.

4) Pe parcursul formrii noilor purttori de sarcin, electronul se deplaseaz pe un drumrectiliniu i n direcia cmpului. n realitate electronul, datorit ciocnirilor parcurge


16/244

16

un drum mai lung, n zig-zag, caz n care numrul de ciocniri este mai mare, deciipoteza are un caracter de subevaluare a numrului de ionizri.

Electronul n cmp electric se deplaseaz n direcia acestuia pe distana x, acumulnd oenergie care, pentru a se produce ionizare, trebuie sa fie mai mare dect energia de ionizare:

iWxeE (1.26)

Deci pentru a produce o ionizare la ciocnirea cu o molecul, electronul trebuie sparcurg naintea acestei ciocniri drumul:

E

U

eE

eU

eE

wx iiii =

=

= (1.27)

Dar probabilitatea ca un electron ce are parcursul liber mediu , s parcurg fr ciocniri

un drum mai mare sau egal cu x este

x

e

.

Cum n acest caz ixx = , pe unitatea de lungime electronul sufer

1ciocniri, din care

numai o fraciune din numrul acestora egal cu ix

e

, va produce ionizri. Expresiacoeficientului de ionizare prin oc de electroni va fi deci:

ix

e

=1

(1.28)

nlocuind pe xi din (1.27) i pe din (1.23) se obine:

E

APUi

eP

= (1.29)

Potenialul de ionizare Ui pentru un anumit gaz este constant i cum A este tot oconstant, notnd produsul celor dou constante cu B ( )BAUi = , relaia (1.29) devine:

E

BP

eP

= (1.30)n literatura de specialitate expresia (1.30) poate fi ntlniti sub o alt form:

=P

Ef

P

(1.31)

Cu toate ipotezele fcute de teoria lui Townsend, determinrile experimentale scot neviden concordana ntre calculele analitice i msurtorile experimentate cu referire lavaloarea coeficientului de ionizare prin oc electronic.

n mod asemntor se poate determina i un coeficient de ionizare prin oc ionic, daravnd n vedere c lungimea drumului liber mediu al ionilor este de aproximativ patru ori maimic dect a electronilori viteza de deplasare n cmp a ionilor este de aproximativ 100 ori maimic dect a electronilor, ionizarea prin oc ionic este nensemnat n raport cu ionizarea prinoc electronic.

1.1.5. Teoria descrcrii n avalan

Existena unui electron liber n cmpul electric dintre doi electrozi va conduce n urmaprocesului de ionizare la formarea a nc unui electron care, fiind accelerat n cmp i acumulnd

energie cinetic, va efectua i el ionizri. Cei doi electroni dup urmtoarele ciocniri ionizate,vor da natere la nc doi electroni deci n total vor fi acum patru, procesul se continu rezultnd8 electroni, .a.m.d.


17/244

17

Aceast cretere continu a fluxului de electroni poart denumirea de avalan deelectroni.

Electronii din avalan, avnd mas mic, vor avea o vitez mult mai mare de deplasare,sub aciunea cmpului electric, spre anod, lsnd n urma lor ionii pozitivi creai n procesul deionizare prin oc electronic, care se deplaseaz ctre catod, dar cu o vitez mai mic dect aelectronilor.

Numrul de electroni din avalan se poate determina dac se cunoate coeficientul deionizare spaial prin oc de electroni i legea de distribuie a cmpului electric ntre electrozi.Dac la distana x fa de catod se afl electroni n avalan, pe o poriune dx fiecare din

aceti electroni va efectua dx ionizri iar la toi electronii vor produce ndx ionizri.Creterea numrului de electroni din avalan pe distana dx va fi:

dxndn = (1.32)Separnd termenii i integrnd, rezult:

=xn

dxn

dn01

Din limitele integralelor se observ ipotezele fcute:- iniial exista un singur electron liber n intervalul dintre cei doi electrozi;- electronul iniial a aprut la catod.Numrul de electroni din avalan va fi dat de expresia:

=x

dxen 0

(1.33)

Dac se consider cmpul electric uniform ntre cei doi electrozi, nu depinde de x, nexpresia (1.33) integrala va avea o valoare determinat:

xen = (1.34)Deci numrul de electroni din avalan crete exponenial i ca urmare distribuia

sarcinilor pe ntregul parcurs al avalanei va fi foarte neuniform.Pentru un calcul exact trebuie inut seama de faptul c numrul de electroni se

micoreaz continuu ca urmare a fenomenului de ataare la molecule sau atomii neutri, care se ian calcul prin coeficientul de ataare , ca i faptul c, prin crearea de ioni pozitivi, accelerareaacestora i lovirea lor de catod, se produce prin smulgere de electroni noi din catod, fenomen cese ia n considerare prin coeficientul de ionizare superficial.

Fiecare electron plecat de la catod produce 10 x

dx

e

electroni (d este distana dintre catod

i anod) din care ajung la anod( )

x

dx

e 0

electroni; n acelai timp el mai producex

dx

e 0

ioni

pozitivi care lovind catodul produc ali

10

x

dx

e

electroni.

Deci pentru fiecare electron plecat de la catod n avalana iniial, ajung la anod:

)1(1

)1(0

0

00

)(

1

)(

==

=

xx

xx

dx

dx

i

dxi

dx

e

eeen

(1.35)

electroni.


18/244

18

n cazul unui cmp uniform:( )

)1(1 =

d

d

e

en

(1.36)

n determinarea acestor rezultate s-a neglijat recombinarea ionic, aceasta ducnd lamicorarea numrului de ioni pozitivi ce ajung la catod, deci calculul are un caracter de

supraevaluare.Variaia componentelor longitudinale ( E i +E )a intensitii cmpurilor create de sarcinile spaiale aleelectronilori ionilor pozitivi de-a lungul drumului

parcurs de avalani repartiia cmpului rezultat ntrecei doi electrozi este dat n fig. 1.1.

Se observ c avalana de electroni deformeazputernic intensitatea cmpului n intervalul dintre cei doielectrozi n sensul c l intensific n fruntea avalaneii l slbete n spatele acesteia.

Crete astfel solicitarea n intervalul avalan-

anod i deformarea cmpului se accentueaz cu ctavalana se apropie de anod.

Aceast intensificare de cmp favorizeaz emisiade fotoni prin revenirea electronilor din atomii i ioniiexcitai pe nivelele inferioare de energie.

Cmpul este slbit n spatele avalanei deelectroni i pe aceast poriune (avalan-catod) potavea loc recombinri de sarcini electrice care se productot cu eliberare de energie sub form de radiaii.

Propagarea avalanei ntre cei doi electrozi poatefi nsoiti de procese de fotoionizare, care fiindintensificate, sunt generate noi avalane numiteavalane secundare. Este intensificat astfel procesulde ionizare care faciliteaz dezvoltarea avalaneiiniiale i eventuala sa ajungere la anod, ca n final sfie posibil finalizarea descrcrii electrice ntre ceidoi electrozi.

1.1.6. Descrcarea de gaze n cmp electric uniform

Cmpurile uniforme sunt acele cmpuri care au intensitatea electric constant n lungulliniilor de cmp.

1.1.6.1. Descrcarea autonomi neautonom

Avalana de electroni genereaz prin deplasarea particulelor din intervalul de gaz spre ceidoi electrozi un curent de circulaie n circuitul sursei de alimentare care dispare dupneutralizarea sarcinilor pe cei doi electrozi. Un nou curent de circulaie nu mai este posibil dectdac reapare o nou avalan, reapariie care este condiionat de prezena n intervalul dintre

electrozi cel puin al unui electron.Dac noul electron creat este datorat unui ionizator extern intervalului de gaz, atuncidescrcarea este neautonomi este nsoit de impulsuri de curent n circuitul de alimentare.

-------------------

+++++++

++++++

++++

+++++

E

E

x0

0 x

rezE

medE

E

+E

extE

+-

Fig.1.1

Formarea avalanei de electronii repartiia cmpurilor


19/244

19

Dac noul electron creat este produs de procesele interne ale gazului din intervalul dintrecei doi electrozi, descrcarea este autonom. n acest sens, se impune ca avalana primar deelectroni s creeze un nou electron n apropierea catodului care s fie germenul unei noiavalane.

Generarea noului electron de ctre avalana primar nainte de dispariia acestuia se poaterealiza prin:

a) bombardarea catodului de ctre ionii pozitivi creai de avalan;b) fotoionizarea superficial a catodului;c) fotoionizarea n volumul gazului;

Aceste posibiliti de de apariie a noului electron sunt diferite n funcie de densitateagazului.

a) Ionizarea prin bombardarea catodului cu ioni pozitiviNumrul de electroni generai de catod va fi cu att mai mare cu ct numrul de ioni

pozitivi care bombardeaz catodul este mai mare. Ionii pozitivi gsindu-se n spatele avalaneivor parcurge un drum lung aproape ct intervalul dintre electrozi, se ciocnesc cu moleculelegazului micorndu-se viteza. Dac densitatea gazului este mare probabilitatea ajungerii acestora

la catod cu energie cinetic suficient este redus. Acest tip de ionizare conduce la rezultate maibune la densitatea sczut a gazului.

b) Fotoionizarea superficial a catoduluii n acest caz eficiena este cu att mai pronunat cu ct densitatea gazului este mai

sczut.La densitate ridicat a gazului o mare parte a fotonilor emii sunt absorbii de moleculele

gazului sau sunt dispersai n spaiul exterior intervalului de gaz dintre cei doi electrozi.

c) Fotoionizarea n volumul gazuluiAceast ionizare are loc la densitate ridicat de sarcin n condiiile unei puternice

neuniformiti de cmp electric. Fotoionizarea n volumul gazului poate fi realizat numai cufotoni ce posed o energie mult mai mare dect cea necesar fotoionizrii superficiale.Deformarea puternic a cmpului de ctre avalana iniial de electroni are loc atunci cndsarcina acesteia este suficient de mare i n condiiile unei densiti ridicate a gazului. Deci ladensitate sczut a gazului, preponderente sunt fenomenele de fotoionizare superficial alecatodului, iar la densitate ridicat a gazului fenomenele de fotoionizare n volumul gazului.

1.1.6.2. Descrcarea electric la densitate sczut a gazului

Se neglijeaz procesele de fotoionizare superficial la catod i se consider doar ionizarea

creat prin bombardarea catodului cu ionii pozitivi creai de avalana iniial.La densitate sczut a gazului se introduce noiunea de coeficient de ionizare superficial( ) definit ca fiind numrul de electroni ce rezult prin bombardarea catodului de ctre un ion

pozitiv.Dac avalana iniial parcurge toat distana s ntre cei doi electrozi, ea conine, conform

relaiei (1.34) se electroni. Presupunnd c iniial a existat un singur electron n intervalul degaz, nseamn c vor exista 1se ioni. Dup ce lovesc catodul, aceti ioni extrag din acesta

( )1se electroni.Pentru apariia noii avalane trebuie ca descrcarea s devin autonom, condiia fiind:

( ) 11 =se (1.37)


20/244

20

Dar 1>>se , rezult c expresia (1.37) devine:

1=se sau

1

ln=s (1.38)

Relaia (1.38) reprezint condiia de autonomie la densitate sczut a gazului. Cndaceast condiie este ndeplinit avalana primar nu dispare imediat, ci se formeaz noi avalanesecundare ale cror sarcini negative se deplaseaz ctre anod simultan cu deplasarea sarcinilor

pozitive create de ctre avalanele precedente ctre catod, formndu-se n intervalul dintre ceidoi electrozi un canal de plasm electrono-ionic. Datorit densitii sczute a gazuluiconductivitatea canalului de plasm nu este prea mare, iar curentul de circulaie care rezult ntreelectrozi este destul de firav. Descrcarea la densitate sczut a gazului mai este denumit idescrcarea luminiscenti este ntlnit de regul la tuburile cu gaz rarefiat.

1.1.6.3. Descrcarea electric la densitate ridicat a gazului.Strimerul

Preponderent n acest caz este procesul de fotoionizare n volumul gazului ntlnit de

regul la descrcrile electrice la presiune normal (n aer liber).O astfel de ionizare se produce cnd intensitatea cmpului electric este foarte mare ideformarea cmpului este accentuat.

Deformarea este maxim cnd avalana primar a ajuns n apropierea anodului, aa cumse observ n fig. 1.2.a.

Ca urmare a fotoionizrii n volumul gazului iau natere noi avalane secundare (fig.1.2.b).

Asistm la o asociere de particule dintre electronii din avalanele secundare i ioniipozitivi din avalana iniial, rezultnd n imediata apropiere a anodului un canal de plasmelectrono-ionic (fig.1.2.c).

-----------+++++

++

+++ +++ ++

+ + +

+

+

+ + ++

++++

-

-- --- --------++++

+++

++

+++++----

---

++++

++++

a)

b)

+ ++ ++++++++--

-+++--+

++-

++++-+

++

+++++ +-

---++++

---++++

+ ++ +++++ +++

+++++

++-+ +-+- -++ +-- - -++ +

-

c)

d)

+++ ++ +++ +++--- -- -- --++++++ ++++-- -- -- ---++ ++ +++ +++--- -- -- --++++++++++-- -- -- -- -- +- -- -+++++++--- -

--

e)

Fig.1.2

Formarea strimerului anodic


21/244

21

Acest canal de plasma deformeazi mai mult cmpul electric n sensul c-l intensific nfrunte i-l slbete n spate, fcnd posibile noi recombinri cu noi disponibiliti pentru apariiade noi avalane secundare care contribuie la prelungirea canalului de plasm ctre catod (fig.1.2.d). n fruntea canalului cmpul se intensific pe msur ce canalul de plasm se apropie decatod, viteza de propagare este cresctoare i pn la urm canalul de plasm electrono-ionicnchide ntregul interval dintre cei doi electroni (fig. 1.2.e) lund natere un curent de circulaie.

Acest canal de plasm electrono-ionic, care se nchide de la un electrod la cellat, poartdenumirea de strimer. n cazul de mai sus strimerul se propag de la anod ctre catod i senumete strimer anodic.

Exist i situaii n care intensitatea cmpului electric este aa de mare i deformareaacestuia aa de puternic nct se formeaz noi avalane secundare ce se pot dezvolta i n fataavalanei iniiale (1.3).

n mod asemntor, din prima avalan secundar poate aprea o nou avalan.a.m.d.Asistm la o asociere de particule i anume ntre ionii pozitivi ai avalanelor secundare i

electroni ai avalanelor precedente, formndu-se un canal de plasm electrono-ionic (germenelestrimerului) care avanseaz de la catod ctre anod, n acest caz definindu-se strimerul catodic. Lastrimerul catodic avem de-a face cu o nlnuire de avalane, fiecare dintre ele parcurgnd doar o

parte din distana ntre electrozi; de aceea, viteza de formare i propagare a strimerului catodiceste mai mare dect a celui anodic.

Strimerul poate s apar numai n condiiile existenei unei fotoionizri spaialecondiionati ea de o deformare puternic a cmpului n fruntea avalanei iniiale. Fa de cazuldescrcrii la densitate ridicat, condiia de formare a strimerului, deci de autonomie adescrcrii, este:

.consts = (1.39)

Cele dou condiii de autonomie a descrcrii rezultate din expresiile (1.38) i (1.39) nuse pot confunda pentru c coeficientul nu numai c are valori diferite, dar are i semnificaii

fizice diferite: la densitate sczut se refer la fenomenele de ionizare superficial la catod; la densitate ridicat se refer la fenomenele de fotoionizare n volumul gazului.

J.S. Townsend, care s-a ocupat de teoria descrcrilor electrice n gaze, n-a inut cont dedensitatea gazului, acceptnd procesele fizice de la densitate sczut i n cazul densitiiridicate.

Aceast teorie a lui Townsend a fost n concordan cu unele msurtori experimentale,dar n-a putut fi aplicabil n domeniul presiunilor mari. A venit s nlture acest neajuns teoria

strimerilor de mai trziu, elaborat n 1940 de I.M. Meeki H. Raether. Ipotezele acestei teoriiau fost confirmate i prin rezultate experimentale ulterioare, utiliznd camera cu cea a luiWilson.

++++++++

-------

--------

-++++

+

+++++++ --

---

-++

+++++ +-

S

kx

Fig.1.3.Formarea strimerului catodic


22/244

22

Strimerul, aadar, reprezint o etap n formarea descrcrii, dar nu este ultima, pentru cdup ce strimerul a parcurs ntregul interval de electrozi, prin canalul su trece un curent decirculaie ntreinut de sursa de alimentare, care datorit densitii mari a gazului creteconductivitatea termici apare aa-zisa descrcare prin scnteie .

n cazul acestei descrcri, caracterizat printr-un canal luminos, curentul de circulaieeste foarte mare, prin canal nchizndu-se curentul de scurtcircuit al sursei de alimentare. Dac

puterea sursei este suficient de mare, descrcarea prin scnteie se transform n descrcare prinarc electric.

1.1.6.4. Tensiunea disruptiv n cmp electric uniformLegea lui Paschen

Tensiunea disruptiv rezult punnd condiia de autonomie a descrcrii (1.38) nlocuindcoeficientul de ionizare spaial prin oc de electroni cu expresia sa din (1.30) i innd seama deuniformitatea cmpului ( )sEU = , rezult :

1ln=

U

Bps

Apse ;

1ln

lnAps

U

Bps=

de unde:

( )pBAsfAps

BpsUd ,,,

lnln

1

==

(1.40)

Deci tensiunea disruptiv este dependent de distana ntre electrozi, natura gazului,temperatura i presiunea sa.

Relaia de mai sus vine s exprime analitic o lege ce a fost dedus pe cale experimental,fiind vorba de legea lui Paschen conform creia tensiunea disruptiv a gazelor n cmp uniform,la temperatur constant, este funcie de produsul ntre presiunea gazului i distana ntreelectrozi:

( )psfUd = (1.41)n relaia (1.40) intervine coeficientul de ionizare superficial care depinde de presiunea

i temperatura gazului i de densitatea cmpului electric. Acest coeficient se determin greu pecale analitici de aceea se recurge adesea la considerarea valorilor experimentale.

Pentru condiii atmosferice normale ( )torrp 760= ( )mNtorr 3.1331 = , ( )Ct = 20 iconsidernd pentru constantele A i B valorile : A = 8.5 i B = 250 (pentru aer), n tabelul 1.1sunt date tensiunile desruptive n cmp uniform, deduse prin calcul i experimental, pentru

diferite valori ale lui

1ln i ale intervalului s dintre cei doi electrozi.

Se observ c pentru ( ) 20ln 1 = exist o apropiere ntre valorile calculate i cele deduseexperimental ale tensiunii disruptive pentru toate distanele ntre electrozi. Condiia deautonomia a descrcrii este deci:

20=s (1.42)


23/244

23

Tabelul 1.1

Tensiunea disruptiv

calculat (kV)

Valorile coeficientului

1ln

S

cm

10 15 20 25

Tensiunea

disruptiv

msuratkV

Rigiditatea

dielectric

kV/cm

1

2

3

29.5

53

75

31.3

56

79.5

32.8

58.5

83

34.2

61

86

31.35

58.7

85.8

31.35

29.35

28.6

Egalitatea de mai sus corespunde tensiunii disruptive minime.Pentru 20s se obin tensiuni disruptive mai mari i este posibil s apar strimeri

catodici.n calculele de proiectare se utilizeaz relativ mai puin forma analitic a tensiunii

disruptive din (1.40), mult mai utilizat fiind o formul empiric:

ssUd 55.2466.6 += (ks) (1.43)

unde: este densitatea relativ a gazului;s = distana ntre electrozi n cm.

n expresiile utilizate pentru exprimarea tensiunii disruptive nu am inut seama de variaia

de temperatur, variaie care trebuie inclus n constantele A i B. n (1.40) se nlocuiesc

constantele A i B prinT

TA 0 , respectiv

T

TB 0 , unde KT 2930 = , rezultnd:

==T

psf

AT

T

psBT

UT

psd

1

0

0

lnln

(1.44)

Raportul Tp este proporional cu densitatea relativ a gazului care pentru orice condiii

atmosferice este:

T

p

p

p

T

T386.0

0

0 == (1.45)

Astfel relaia (1.44) mai poate fi scris sub forma:( )sfUd = (1.46)

Expresia (1.46) regsete legea lui Paschen sub o form mai general: tensiuneadisruptiv a gazelor n cmp electric uniform este o funcie dependent de produsul dintredistana dintre electrozi i densitatea relativ a gazului. Curba de variaie a acestei dependeneeste dat n fig. 1.4.


24/244

24

Curba are un minim caracteristic pentru valori mici ale produsului s , explicaia are labaz nite fenomene fizice. Astfel, se consider distana s dintre electrozi constant, n acest caztensiunea disruptiv depinznd doar de . Din relaia (1.42), pentru s dat, rezult o anumitvaloare a lui .

Fig. 1.4.Curba de variaie a tensiunii disruptive

Dac se consider c densitatea gazului crete, va crete i numrul de ciocniri aleelectronului cu moleculele de gaz, dar se va micora lungimea parcursului liber mediu i implicitnumrul de ionizri.

Dac crete n raport cu valoarea ce corespunde minimului pentru dU , se micoreaz

posibilitatea ciocnirilor ionizate, iar dac scade n raport cu aceeai valoare a lui dU semicoreaz numrul de ciocniri, n ambele cazuri asistnd la o cretere a tensiunii disruptive. Dinrelaia (1.44) se observ c tensiunea disruptiv depinde i de produsul dintre presiunea gazuluii distana dintre electrozi ( )( )psfUd = , dependen dat n fig. 1.5 pentru aeri hidrogen.

n concluzie, se poate spune c mrirea rigiditii dielectrice a unui interval de gaz esteposibil prin mrirea presiunii acestuia. n practic se utilizeaz acest procedeu la uneleconstrucii izolante (unele tipuri de cabluri) dar pn la presiuni n jur de 15 atmosfere

2

51015m

N.

Fig. 1.5.

Tensiunea disruptiv n funcie deprodusul ps pentru aerI hidrogen


25/244

25

1.1.7.Descrcarea n gaze n cmp electric neuniform

Cmpurile neuniforme sunt acele cmpuri la care intensitatea cmpului variaz de-alungul liniilor de cmp. Ele se stabilesc n intervalele n care cel pu in unul dintre electrozi areraza de curbur mic n comparaie cu distana s dintre electrozi, intensitatea maxim acmpului obinndu-se pe suprafaa electrodului cu raza de curbur cea mai mic.

Aceste intervale sunt caracterizate printr-un coeficient de neuniformitate k, carereprezint raportul dintre valoarea maxim a intensitii cmpului ( )mE i valoarea sa medie( )medE :

med

m

E

Ek=

unde:

s

UEmed = (1.47)

Coeficientul de neuniformitate este ntotdeauna supraunitar ( )1>k i n funcie de

valorile lui, cmpurile neuniforme se pot mpri n:a) cmpuri slab neuniforme, pentru 41 k .ntre aceste dou tipuri de cmpuri nu se poate face o delimitare riguroas. Cmpurile

neuniforme n funcie de forma electrozilor se pot mpri n:a) cmpuri simetrice, n cazul electrozilor de aceeai form i aceleai dimensiuni

(exemplu: ntre conductoarele liniilor electrice aeriene);b) cmpuri nesimetrice, ntre electrozi de form diferit (de exemplu ntre conductoarele

liniilor aeriene i pmnt).innd cont de aceste dou clasificri se poate conchide c cel mai neuniform i cel mai

nesimetric cmp este cel obinut ntre electrozii vrfplac, iar cmpul cel mai neuniform i cusimetrie 100% este cel obinut ntre electrozii vrfvrf.

1.1.7.1. Descrcarea n cmp electric slab neuniformLegea similitudinii descrcrilor electrice

n cmpurile electrice slab neuniforme mecanismul de formare a descrcrii cuprinde, cai n cazul cmpurilor uniforme, dou etape: avalana i strimerul, descrcarea disruptiv fiindasigurat cnd este ndeplinit condiia de autonomie. Dac n cmp uniform numrul deelectroni din avalan era dat de expresia (1.34), n acest caz este dat de expresia (1.33).Coeficientul de ionizare spaial prin oc de electroni , la cmpurile slab neuniforme nu mai

este constant, ci depinde de intensitatea cmpului electric E i de distana s dintre cei doielectrozi.Condiia de autonomie a descrcrii devine:

=s

ds0

1ln

(1.48)

Aceast ecuaie nu poate fi integrat dect n cazuri particulare. n cmpurile slabneuniforme nu se mai poate gsi o expresie general pentru tensiunea disruptiv ca n cazulcmpurilor uniforme. De aceea s-a ncercat o generalizare a legii lui Paschen aplicabil lacmpurile slab neuniforme numit legea similitudinii descrcrilor electrice formulat astfel:tensiunea disruptiv n cmp slab neuniform este dependent de produsul dintre densitatea

relativ a gazului i distana ntre electrozi s (sau o alt mrime geometric a intervaluluidintre electrozi) i de rapoartele dintre toate celelalte dimensiuni geometrice ce caracterizeazintervalul i distana ntre electrozi:


26/244

26

= ,...,, 21s

r

s

rsfUd (1.49)

n fig. 1.6. sunt date dou exemple de intervale ntre electrozi i dimensiunile geometriceale acestora, pentru dou sfere identice i pentru un condensator cilindric.

Condensatorul cilindric este caracterizat de trei dimensiuni geometrice ( )sRr ,, i legeasimilitudinii descrcrilor n acest caz poate mbrca mai multe forme:

=

s

rsfUd , ;

=s

RsfUd , ; (1.50)

=s

RrfUd , .

Pe baza legii similitudinii descrcrilor electrice, folosind rezultatele experimentale, aufost stabilite cteva formule empirice pentru tensiunea disruptiv n cmp slab neuniform pentrudiverse configuraii ale cmpului, astfel:

pentru dou sfere identice, de raz r, aflate la distana s (vezi fig. 1.6.):

+

+++

+=

81125.0

54.01

72.22

r

s

r

s

r

s

rrUd

(1.51)

pentru doi cilindri paraleli, de raz r:

r

s

rrUd ln

301.0

130

+= (1.52)

pentru cilindri coaxiali:

r

s

rrUd ln

308.0131

+=

(1.53)

Fig. 1.6.Dimensiuni geometrice caracteristice


27/244

27

1.1.7.2. Descrcarea n cmp electric puternic neuniform

Acest tip de descrcare este ntlnit de exemplu ntre electrozii vrfvrf sau vrfplac.Dac n cmpuri uniforme sau slab neuniforme pentru formarea descrcrii electrice era

necesar s fie ndeplinit condiie de autonomie a descrcrii, n cmpurile puternic neuniformeaceast condiie nu mai este suficient, pentru c n astfel de cmpuri la electrodul de curbur

mai mare, unde i intensitatea cmpului este mai mare, apar fenomene de ionizare, aparedescrcarea corona, care influeneaz esenial forma ulterioar a descrcrii disruptive nscnteie.

Fenomenele ce au loc sunt dependente de polaritatea vrfului. n cazul n care seconsider cmpul neuniform determinat de un sistem de electrozi vrf-plac, se va analizamecanismul descrcrii pentru ambele polariti ale electrodului vrf. Descrcarea mai estecondiionat i de formarea ntre electrozi a unor sarcini spaiale care vor influena asupradescrcrii n funcie de polaritatea electrodului la care se formeaz.

Apariia avalanei primare de electroni i a sarcinii spaiale ntre doi electrozi vrf-placprecum i repartiia cmpului rezultant, sunt date n figurile 1.7., 1.8.

a)Descrcarea la polaritate pozitiv a electrodului vrf

Electronii din intervalul de descrcare produi de ionizator extern se deplaseaz subaciunea cmpului electric E ctre vrf unde cmpul e intens i devin capabili s dea natere la oavalan de electroni, aa cum se observ n fig. 1.7.a. Dac la electrozi se aplic o tensiune

suficient de mare, deci cmpul este foarte intens, la anod pot s apar mai multe avalane care sedezvolt spre electrodul vrf (anod), electronii din fruntea acestora fiind cu rapiditate absorbii.

Rmne n acest spaiu o sarcin spaial pozitiv (fig. 1.7.b.) datorit creia se modificrepartiia de cmp 1 cu alura curbei 2, rezultnd repartiia cmpului dat de curba 3 din fig.1.7.c.

Se observ c, datorit sarcinii spaiale, cmpul rezultant este slbit n apropiereaelectrodului vrfi este intensificat n vecintatea sarcinii spaiale spre plac.

ntregul proces este nlesnit de faptul c aceste avalane se dezvolt nspre zone cu cmpgeometric tot mai intens.

Fig.1.7.Descrcarea la polaritate

pozitiv a vrfului

Fig.1.8.

Descrcarea la polaritate

negativ a vfului


28/244

28

b)Descrcarea la polaritate negativ a electrodului vrf

n acest caz, prezentat n fig. 1.8., electronii ce apar n apropierea catodului, gsindu-sentr-un cmp intens pot genera avalane de electroni care se deplaseaz ctre electrodul plac,deci spre anod (fig. 1.8..a)

Avansarea electronilor spre anod este din ce n ce mai ngreunat datorit cmpului din

ce n ce mai puin intens i acetia nceteaz s mai produc ionizri.O parte dintre electroni ajung la anod i se neutralizeaz iar o alt parte se ataeazmoleculelor de gaz, formnd ioni negativi care se deplaseaz tot ctre anod dar cu o vitezi maimic, rezultnd o sarcin spaial negativ. Ionii pozitivi creai de avalane se ndreapt ctrecatod, ns cu o vitez foarte mic de deplasare i ca urmare se va forma o sarcin spaial

pozitiv n imediata apropiere a electrodului vrf(fig. 1.8.b).Sarcina spaial negativ datorit densitii sale slabe nu prea are influen asupra

distribuiei cmpului ntre cei doi electrozi. Nu acelai lucru se poate spune despre influenasarcinii spaiale pozitive, cmpul modificat datorit acesteia fiind intensificat spre vrf, acolounde descrcarea s-a dezvoltat, i slbit n faa strimerului n imediata vecintate a sarciniispaiale ctre plac, aa cum se observ la curba 2 din fig. 1.8.c.

Procesele de ionizare de la electrodul vrf reprezint o prim etap a descrcrii i anumedescrcarea corona n stadiul de avalan, ce este nsoit de impulsuri de curent n circuitulsursei de alimentare denumite impulsuri de tip Trichel.

La polaritatea negativ a vrfului, aceste impulsuri au o form precizat, de tipexponenial i se succed la intervale egale de timp (fig. 1.9.a), iar dac tensiunea aplicat ntrecei doi electrozi crete, impulsurile i pstreaz forma i amplitudinea, dar se modific frecvena(fig. 1.9.b). La polaritatea pozitiv a vrfului, impulsurile au o form de dezvoltare haotic (fig.1.9.c).

Impulsuri de curent la descrcarea n cmp puternic neuniform.

O prim etap a descrcrii era descrcarea corona n stadiul avalan care se produce laintensitate iniial a cmpului iE , respectiv la o tensiune aplicat la electrozi iU .

Cnd iUU> , respectiv iEE> asistm la apariia unei noi etape a descrcrii i anume ladescrcarea corona sub form de strimer, formarea i propagarea strimerului pentru polaritatea

pozitiv a vrfului, precum i repartiia cmpului, fiind reprezentate n fig. 1.10., iar pentrupolaritatea negativ a vrfului n fig. 1.11.

Fig. 1.9.Impulsuri de curent la descrcarea n cmp neuniform


29/244

29

La polaritatea pozitiv a electrodului vrf, la creterea tensiunii aplicate, intensitateacmpului la anod crete, procesele de ionizare se intensific n aceast zon, iar fotonii emii

produc noi avalane de electroni n imediata apropiere a sarcinii spaiale pozitive ctre plac (fig.1.10.a).

Ca urmare a asocierii de electroni din noile avalane cu ioni pozitivi din sarcina spaial,apare germenele strimerului (fig. 1.10.b), un nceput de canal de plasm electrono -ionic. Caurmare cmpul se intensific n fruntea strimerului, apar noi avalane secundare, au loc noiasocieri, canalul de plasm se mrete (fig. 1.10.c) i distana aparent ntre electrozi se

micoreaz. Odat cu apariia canalului de plasm, la electrodul vrf se modific i repartiiacmpului, n sensul c scade la nceputul canalului i se intensific n fruntea lui (fig. 1.10.d i1.11.d curba 2). Odat cu deplasarea strimerului ctre plac se deplaseazi regiunea cu cmpintensificat cum se observ din curbele 3. Astfel strimerul se poate deplasa treptat spre electrodul

plac.La polaritatea negativ a electrodului vrf intensificarea cmpului la catod genereaz noi

avalane de electroni ntre vrfi sarcina spaial (fig. 1.11.a), au loc asocieri de electroni i ionipozitivi, apare germenele strimerului (fig. 1.11.b), cmpul se intensific tot ca n cazul precedenti canalul de plasm electronoionic se mrete (fig. 1.11.c).

Intensificarea cmpului n fruntea strimerului poate s creasc sau s scad pe msuraavansrii acestuia, spre plac. Dac crete, strimerul se poate propaga pn la electrodul plac,transformndu-se n descrcare prin scnteie, iar dac scade, strimerul nu are posibilitatea sajung la cellalt electrod, descrcarea este incomplet, avndu-se de-a face cu descrcareacorona n stadiul de strimer. Acest din urm tip de descrcare este nsoit de o circulaie de curentn circuitul sursei de alimentare, circulaie posibil i explicabil datorit capacitii C dintrefruntea strimerului i electrodul plac (fig. 1.12).

Dac tensiunea ntre fruntea strimerului i plac e considerat constant, curentul ce trece

Fig. 1.10.

Descrcarea Corona sub form destrimer la polaritate pozitiv a vrfului

Fig. 1.11.

Descrcarea Corona sub form deStrimer la polaritate negativ a vrfului

Fig. 1.12.Descrcarea Corona n stadiul de strimer


30/244

30

prin canalul strimerului i prin capacitatea C este:

( )dt

dCUUC

dt

d

dt

dqi === (1.54)

n aceast expresie capacitatea C este dependent de distana dintre fruntea strimerului iplac.

Deci strimerul n cazul de mai sus nu ajunge la cellalt electrod, totui apare un curent de

circulaie ntre cei doi electrozi sub form de impulsuri.Pentru intervalele de gaz similare geometric se poate conchide c tensiunea de apariie a

efectului corona este mai mic n cazul polaritii negative a vrfului, dect n cazul celeipozitive, iar tensiunea de strpungere a intervalului la polaritate negativ a vrfului este maimare de circa 5.22 ori fa de cea la polaritatea pozitiv a electrodului vrf.

1.1.7.3. Descrcarea n intervale lungi de aer

Intervalele izolate care intervin n problemele de coordonare a izolaiei au lungimi deordinul metrilor, zecilor de metri sau chiar km n cazul descrcrii de trznet. n astfel de izolaiiapar aspecte care nu se ntlnesc n intervale de ordinul centimetrilor, acestea fiind legate deexistena unor cmpuri extrem de neuniforme. Se disting mai multe faze n producereadescrcrii, existena i caracteristicile lor depinznd de amplitudine, forma i panta undeiaplicate i de geometria intervalului.

Prima manifestare luminoas, numit i prima coroan, este un ansamblu de filamenteluminoase n vecintatea imediat a vrfului, cu o durat foarte mic, de ordinul a s1.0 dup

prima coroan, n funcie de caracteristicile acesteia, ale undei i ale electrodului, poate apare operioad n care lipsesc total ionizrile, perioad ntunecat, datorat faptului c injectarea desarcin electric la prima coroan poate reduce brusc cmpul la suprafaa electrodului (vezicalitativ i fenomenele de la descrcare la polaritate potrivit a electrodului vrf, pn la valorisub cmkV24 , valoare considerat prag inferior pentru producerea ionizrilor).

Sub efectul creterii cmpului datorit difuziei sarcinilor, cmpul reatinge valoarea deionizare i procesul rencepe. Dup aceasta, se dezvolt n direcia electrodului opus, a planului,un canal de lider, a crui extremitate este alctuit dintr-o coloan de strimeri asemntoareaceleia care s-a produs la electrodul vrf.

Electronii acestor strimeri ptrund n canalul liderului mrindu-i conductivitatea itemperatura, ducnd la o nou prelungire a liderului spre electrodul opus.

Liderul alege pentru drumul su unul dintre strimerii ce se dezvolt n faa sa i anume peacela cruia i corespunde o intensitate a cmpului electric maxim; din aceasta cauz traseulliderului este foarte sinuos.

Acest proces este prezentat n fig. 1.13.

Fig. 1.13.Formarea liderului

Viteza strimerilor este de ordinul a civa m/s, iar a liderului de sm 013.015.0 .

Periodic, liderul se lungete brusc i canalul devine luminos.n funcie de amplitudinea tensiunii i de direciile de propagare ale liderului, canalul dedescrcare se poate opri undeva n intervalul izolant sau se poate produce strpungerea.


31/244

31

Strpungerea ncepe cu saltul final ce are loc n momentul cnd primii strimeri ai coloanei dinvrful liderului ating planul pn la sm 42 .

La atingerea de ctre lider a electrodului plan se produce o intensificare brusc acmpului local i deci a ionizrilor. Electronii formai ptrund n canal i neutralizeaz excesulde ioni pozitivi existeni.

Cu o vitez foarte mare (pn la sm 100 ) aceast grani ntre zona neutralizat, se

propag spre electrodul vrf, formnd lovitura invers sau descrcarea principal, prezentat nfig. 1.14.

Datorit cmpului intens din jurul canalului liderului, de-a lungul acestuia apare odescrcare corona vizibil sub forma unor egrete luminoase.

Atingerea de ctre descrcarea principal, a electrodului vrf scurtcircuiteaz practicintervalul dintre electrozi, crendu-se condiii de dezvoltare a descrcrii prin scnteie i detransformare a acesteia n arc electric (pentru o putere suficient a sursei).

1.1.8. Tensiunea disruptiv n cmp puternic neuniform1.1.8.1. Dispersia statistic a tensiunii disruptive

Fenomenele de descrcare electric n intervale de aer au un caracter probabilistic fiindguvernate de legi statistice. Etapele formrii descrcrii i anume apariia unui nou electron,avalana primar, strimerul, liderul, etc., au un caracter ntmpltor datorit repartiiei reciprocea moleculelor gazului, prezenei unor impuriti n gaz, ca de exemplu praful din aer, etc.

Conform teoriilor probabilistice ale descrcrii n gaze, pentru tensiunea disruptivfuncia integral de repartiie este de forma:

( )

=d

dUdU

d

U

dU dUeP22

2

21

, (1.55)

unde:

dUP = probabilitatea ca Ud s fie cel mult egal cu tensiunea disruptiv corespunztoare

cmpului electric critic:

dU = valoarea medie a tensiunilor disruptive dintr-un numr mare de experimente;

= abaterea medie ptratic ce caracterizeaz gradul de dispersie al punctelorexperimentale pentru Ud n raport cu valoarea medie a sa.

Reprezentarea grafic a funciei PUd = f (Ud) este dat n fig. 1.15.

Caracteristica are forma unei curbe tipice numit i curb n S, ce tinde ctre zero lascderea tensiunii i ctre unu la creterea nelimitat a tensiunii.

Fig. 1.14.Lovitura invers


32/244

32

Descrcarea nu este posibil la o tensiune prea mic, iar la tensiuni nalte se produce ntoate cazurile .

nfurtoarea acestei caracteristici este ( )3dU .Capetele domeniului de variaie prezint abateri de la repartiia normala gaussian, de

aceea este suficient dac se consider abaterea tensiunii disruptive fa de dU doar de 2,

poriunea n care caracteristica este mai liniar.

Fig. 1.15.Reprezentarea grafic a funciei de probabilitate

Se determin astfel tensiunea la 50% amorsri i dac se cunoate i mprtierearezultatelor experimentale dat de , se poate caracteriza dispersia tensiunii disruptive. Abatereamedie ptratic are valori difereniate pentru supratensiuni externe, respectiv interne. Alt relaie

pentru PUd se poate obine din (1.55) fcnd schimbarea de variabil:

dd UUt

= (1.56)

care conduce la:

dtePt

t

Ud

=0

2

2

2

1

(1.57)

relaie ale crei valori sunt tabelate.n cazul instalaiilor de nalt tensiune apar mai multe izolaii n paralel, caz n care

probabilitatea de descrcare pentru un element este dat de relaie:

[ ]=

=m

j

jUdmUd PP1

11 (1.58)

n cazul n care cele m izolaii sunt identice, relaia devine:[ ]mUdmUd PP = 11 (1.59)

1.1.8.2. Influena condiiilor de mediu asupra tensiunii disruptive

n cmpuri electrice uniforme i slab neuniforme tensiunea disruptiv depinde doar dedensitatea gazului, crescnd odat cu aceasta. n cazul cmpului puternic neuniform, tensiuneadisruptiv mai este influenat, i de umiditatea gazului, dependena fiind de direct

proporionalitate i depinznd de gradul de neuniformitate al cmpului.Influena umiditii este explicat pe seama comportrii vaporilor de ap ca o sarcin

spaial, negativ. Valorile tensiunilor disruptive pentru diferite condiii de mediu se corecteazcu cele obinute n condiii normale (p = 760 torr, (105N/m2) t = 200C, = 1 i = 11 g/m3,unde este densitatea relativi este umiditatea absolut).


33/244

33

Se folosete n acest sens relaia:

kdndUU = (1.60)

unde:Ud = tensiunea disruptiv pentru condiii atmosferice reale;Udn = tensiunea disruptiv pentru condiii atmosferice normale; = densitatea relativ a aerului, calculat cu relaia (1.45).

k=coeficient ce depinde de umiditate;Valorile coeficientului de corecie k pot fi luate n funcie de umiditate din diagrama din

fig. 1.16.

Fig. 1.16.Valoarea coeficientului K

La presiuni mai ridicate (de ordinul a ctorva atmosfere) tensiunea disruptiv poate ficonsiderat direct proporional cu presiunea, iar la presiuni i mai mari tensiunea disruptivcrete mai lent, n special n cazul polaritii pozitive a vrfului.

Fig. 1.17.Dependena tensiunii disruptive cu presiunea

La gazele electronegative, pentru polaritatea pozitiv a electrodului vrf, la o anumitvaloare critic a presiunii, tensiunea disruptiv scade brusc, aceasta reprezentnd o anomalie n

procesul descrcrii (fig. 1.17.).

1.1.8.3. Influena formei tensiunii aplicate asupra tensiunii disruptive

Intervalele de aer ntlnite n instalaiile electrice pot fi comparate cu o oarecareaproximaie cu intervalele vrf vrf i vrf plac. De exemplu, intervalul de aer dintreconductoarele fazelor vecine ale L.E.A. se apropie de acela dintre electrozii vrf vrf, iarintervalul dintre conductoare i pmnt se poate compara cu cel vrf plac. De aceea estenecesar cunoaterea tensiunilor de descrcare a acestor intervale tipice i prezint interes studiulcaracteristicilor descrcrii disruptive la aciunea diferitelor forme ale tensiunii aplicate. Acestecaracteristici prezint variaia tensiunii disruptive Ud n funcie de distana ntre electrozi s.tensiunea aplicat ntre cei doi electrozi poate fi de mai multe tipuri:


34/244

34

a) tensiune continu;b) tensiune alternativ de frecven industrial;c) tensiune de impuls;d) unde de supratensiuni de comutaie.Fiecare dintre aceste tipuri de tensiune aplicat are o anumit influen asupra tensiunii

disruptive, influen ce va fi prezentat n cele ce urmeaz:

a)Influena tensiunii continue

n acest caz este puternic exprimat efectul polaritii, n special la sistemul de electrozivrfplac.

La electrozii vrfvrf acest efect este observabil la distane mai mici ntre electrozi, darabaterea curbelor tensiunii disruptive la acetia este mai mic fa de cazul electrozilor vrf

plac.Caracteristica Ud = f (s) este dat n fig. 1.18.

La sistemul de electrozi vrfvrf unul dintre electrozi este legat la pmnt, cmpul fiindintensificat pe electrodul aflat la potential ridicat n comparaie cu cel legat la pmnt.

Fig. 1.18.Influena polaritii vrfului asupra tensiunii disruptive

b)Influena tensiunii alternative de frecven industrial

Variaia tensiunii disruptive cu distana ntre electrozi este pus n eviden n fig. 1.19.Tensiunea disruptiv este mai mare i crete mai rapid cu distana ntre electrozi la

sistemul de electrozi vrfvrf.

Fig. 1.19.Tensiunea disruptiv la frecven industrial


35/244

35

Tensiunea disruptiv e determinat de valoarea instantanee maxim a tensiunii alternative

aplicat. Pentru a msura pe Ud se procedeaz la creterea lent a tensiunii aplicate ncepnd dela valoarea de 75% din aceast tensiune, pn cnd intervalul dintre cei doi electrozi disrupe.

c)Influena tensiunii de impuls

Tensiunea de impuls este caracteristic supratensiunilor atmosferice i are forma uneiunde dublu exponeniale cu durata de ordinul zecilor de s. la aplicarea undei de impuls este

posibil s nu apar descrcarea chiar dac s-a depit tensiunea disruptiv de durat dU , pentru

c descrcarea este dependent nu numai de amplitudinea tensiunii ct i de durata acesteia. (fig.1.20).

Formarea avalanei de electroni este condiionat de existena a cel puin unui electron.Dac acest electron nu apare ct timp se aplic tensiune, descrcarea nu are loc. Timpul dedescrcare (td), care reprezint timpul ce se scurge din momentul aplicrii tensiunii la electrozi i

pn n momentul apariiei scnteii, se compune din:

timpul t0, cnd tensiunea atinge valoarea dU ; timpul statistic de ntrziere a descrcrii (ts), definit ca intervalul de timp scurs

de la atingerea lui dU , pn la apariia unui electron liber capabil s produc o

avalan de electroni; timpul de formare a descrcrii (tf), definit ca intervalul de timp ntre momentul

apariiei primei avalane i momentul formrii definitive a descrcrii;td = t0 + ts + tf (1.61)

Timpul de ntrziere al descrcrii (tid) rezult ca sum ntre tsi tftid = ts + tf (1.62)

Timpul de ntrziere al descrcrii se poate determina experimental.

Aplicndu-se un numr n de impulsuri i determinnd pentru fiecare timpul de ntrzieretid se determin valoarea medie i abaterea ptratic medie:

( ) )64.1(1

1

)63.1(

1

2

1

1

=

=

=

=

n

j

ididjt

n

j

idjnid

ttn

tt

id

Pentru un numr n suficient de mare de impulsuri (n general: n > 30), se poate consideracu suficient exactitate c legea de repartiie a timpului de ntrziere este gaussian.

Fig. 1.20.Formarea descrcrii la impuls


36/244

36

Timpul statistic de ntrziere (ts) depinde de tensiunea aplicat la electrozi, prin mrireatensiunii micorndu-se numrul electronilor care prsesc intervalul de descrcare i

probabilitatea de formare a ionilor negativi, deci se micoreaz ts. De asemenea ts depinde i degradul de neuniformitate a cmpului, in intervale cu cmp uniform. Timpul de formare adescrcrii (tf) este determinat de durata propagrii avalanei iniiale i a strimerului sauliderului. n intervale scurte de aer ponderea cea mai mare o are ts, iar in intervale lungi de aer o

are tf. O importan deosebit o prezint caracteristica tensiunetimp. Dac se ine seama cstrpungerea intervalelor de aer nu este un proces instantaneu, rezult c durata sa este sumaduratelor etapelor succesive ale fenomenului. Caracteristica tensiune timp d dependena ntreamplitudinea tensiunii de impuls aplicat la electrozi i durata apariiei descrcrii.

Pentru ca ncercrile asupra izolaiei s se fac n condiii identice, n practic seutilizeaz o und de impuls de tensiune standard definit prin amplitudinea maxim Um, durataconvenional de semiamplitudine Ts i durata convenional a frunii Tf msurat deoscilogram (fig. 1.21), astfel:

Fig. 1.21.Unda de impuls la tensiune standard

Conform prevederilor C.E.I., adoptate n ara noastr prin STAS 666969 Tf = 1.2s 30% i Ts = 50s 20%, iar unda de impuls se noteaz prin 1.2 / 50s.

Pentru ridicarea caracteristicilor tensiune timp pentru diferite intervale disruptive sefolosete schema de principiu din fig. 1.22.

De la generatorul de impuls de tensiune (GIT) se aplic impulsuri de tensiune pe obiectulde ncercat (Ob), iar variaia tensiunii pe obiect se nregistreaz pe un osciloscop (Oc) prinintermediul unui divizor de tensiune (DT).

Pentru unde cu o variaie rapid a frontului fenomenele sunt reprezentate n fig. 1.23.Este reprezentat modalitatea obinerii caracteristicii tensiune timp pentru un interval

izolat oarecare la aplicarea unor unde de supratensiune cu aceeai durat a frontului, dar deamplitudini diferite.

Fig. 1.22.Schema de determinare a caracteristicii


37/244

37

La strpungerile pe spate (undele III i IV), n caracteristic se trec punctele D i Cpentru c valoarea maxim a solicitrii este cea care a provocat descrcarea chiar dac nmomentul propriu-zis al strpungerii tensiunea a nceput s scad. De obicei, ncercrile pentru

puncte de tipul A, B, strpungeri de front, se fac cu unde tiate; partea orizontal a caracteristiciicorespunde tensiunii de 50%.

U50% este determinat de amplitudinea tensiunii de impuls la a crei aciune repetat,descrcarea disruptiv se produce pentru 50% i tensiunea disruptiv de durat poart denumireade coeficient de impuls al intervalului disruptiv, a crei valoare este supraunitari dependentdirect proporional de gradul de neuniformitate al cmpului.

Pentru aproximarea analitic a tensiunii disruptive se folosete formula lui Mascileison:

0

0%50 1

tt

TUU

d

d

+= (1.65)

unde:U50%, T0i t0 se determin experimental pentru tipul de interval considerat.

Cum la aplicarea succesiv a unei unde de aceeai amplitudine amorsarea are loc ladiveri t0 i diverse valori Ud, din cauza proceselor aleatoare ale descrcrii, exist de fapt o

band tensiunetimp cu o limit superioari una inferioar, n care se poate lucra cu valoareamedie i cu dispersiile corespunztoare.

O analiz a caracteristicii tensiune timp poate fi fcut i in funcie de gradul deneuniformitate al cmpului dintre electrozi (fig. 1.24).

n cmp puternic neuniform durata descrcrii scade rapid la creterea tensiunii aplicate

(curba 1), iar n cmp uniform, durata descrcrii fiind determinat n principal de timpulstatistic de ntrziere care variaz foarte puin cu tensiunea aplicat, caracteristica are pant mic

Fig. 1.23.Ridicarea caracteristicii tensiune-timp

Fig. 1.24.Influena neuniformitii cmpului asupra caracteristicii tensiune-cmp


38/244

38

(curba 2). Caracteristica tensiune timp are importan practic la adoptarea unei proteciiraionale a izolaiei.

Fig. 1.25.Dependena tensiunii U50% de distana ntre electrozi

n cazul n care caracteristica tensiunetimp a aparatului de protecie ar fi dat de curba3, protecia nu ar mai fi asigurat pentru toate valorile posibile ale tensiunii aplicate. Cumtensiunea disruptiv depinde de distana ntre electrozi rezult c i valoarea U50% estedependent de s i de tipul electrozilor, variaia acesteia fiind dat n fig. 1.25.

Se observ c influena polaritii este mai accentuat la sistemul de electrozi vrfplacn comparaie ce cea de la electrozii vrfvrf.

d)Influena undelor de supratensiune de comutaie

Undele de supratensiune de comutaie sunt diferite i au o durat de timp ce variaz de lacteva sute de s pn la cteva perioade ale tensiunii de frecven industrial.

n ara noastr n vederea ncercrii izolaiei la acelai tip de und se utilizeaz un impuls

de tensiune aperiodic cu: durata convenional a frunii; Tf= 250 100s;

durata convenional de semiamplitudine : Ts = 2500 100s; durata impulsului la nivelul 0.9UmT0.9 200s.

Alura impulsului convenional este dat n fig. 1.26.

Acest tip de und aperiodic s-a standardizat pentru verificarea rigidi

51981615 P Tusaliu Tehnica Tensiunilor Inalte Curs

Documents

Transcript of 51981615 P Tusaliu Tehnica Tensiunilor Inalte Curs