CC BY
1УДК 621.317
Валиева Л.Ф.
лаборант кафедры «Электроэнергетика» Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
ГАЗЫ. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ГАЗАХ И ИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Аннотация: газы характеризуются низкой плотностью из-за большого межмолекулярного расстояния. Поэтому поляризация газов незначительна, а диэлектрическая проницаемость близка к единице. Электронная поляризация может возникать в газах, а дипольная поляризация может возникать, когда молекулы газа полярны, но электронная поляризация играет ключевую роль и для полярных газов. В статье рассмотрены газы, их диэлектрическая проницаемость и электропроводность.
Ключевые слова: газы, поляризация, агрегатного состояния, электропроводность, диэлектрические потери.
Величина диэлектрической проницаемости, характеризующая степень поляризации объекта, определяется в первую очередь механизмом поляризации. Однако величина в сильно зависит от агрегатного состояния тела, поскольку его плотность, вязкость и изотропия сильно изменяются при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
Чем больше радиус молекул газов, тем больше их диэлектрическая проницаемость и цена равна квадрату показателя преломления света для этого газа (таблица 1).
Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость некоторых газов (при 200С и давлении 0,1 МПа).
Газы Радиус молекулы, пт коэффициент, п п2 Диэлектрическая проницаемость
Гелий 0,112 1,000035 1,000070 1,000072
Водород 0,135 1,00014 1,00028 1,00027
Кислород 0,182 1,00027 1,00054 1,00055
Аргон 0,183 1,000275 1,00055 1,00056
Азот 0,191 1,00030 1,00060 1,00060
Углекислый газ 0,230 1,00050 1,00100 1,00096
Этилен 0,278 1,00065 1,00130 1,00138
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости газов определяется количеством молекул в единице их объема. Число молекул в единице объема прямо пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре (таблицы 2 и 3).
При изменении влажности воздуха изменяется его диэлектрическая проницаемость (при t=200C и Р=0,1МПа):
Относительная влажность воздуха,%... 0 50 100
Диэлектрическая проницаемость..... 1,00058 1,00060 1,00064
Как видно, влияние влажности воздуха на в невелико при 20°^ но это влияние увеличивается при более высоких температурах
Таблица 2. Зависимость диэлектрической проницаемости некоторых газов от давления (при t=200C).
Газ Давление, МПа
0,1 2 4
Погода 1,00058 1,0108 1,0218
Углекислый газ 1,00098 1,0200 1,0500
Азот 1,00060 1,0109 1,0550
Таблица 3. Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха от температуры (при Р=0,1 МПа).
Газ Температура Б
0С к
Погода +60 333 1,00052
Углекислый газ +20 293 1,00058
Азот -60 213 1,00081
Температурную зависимость диэлектрической проницаемости обычно определяют следующим выражением:
1 йе
Т Эр = аР =--(1)
По выражению (1) при повышении температуры на 1 К можно рассчитать изменение диэлектрической проницаемости, то есть ее температурного коэффициента.
Для неполярного газа:
Е- 1
^Э£ = —-.
для воздуха при 200С
ТЭ£ =
1,00058-1 293
= -2 • 10-6^-1
Выражение зависимости диэлектрической проницаемости неполярного газа от давления имеет следующий вид:
1 й£ _ £-1
£ йр Р
Для воздуха при давлении Р=0,1МПа
1й£ 1,00058-1 _ ппгп , „ 7
--=-= 0,0058 МПа .
£ йр 0,1
Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах в слабом электрическом поле напрямую связаны с электропроводностью. Поскольку в конденсаторах с газовым диэлектриком постоянный электрический ток очень мал, значение не превышает 10-7 на частоте 50 Гц. В этом случае значение можно рассчитать по выражению (2).
18-1О10 (2)
в f р
При увеличении значения напряжения начинается ионизация газа.
Энергия, используемая для ионизации, называется ионизационными потерями. Ионизационные потери можно аппроксимировать выражением (3).
Ра=Л!/(П-Щ3 (3)
где А7 - постоянный коэффициент, 1-поля частота, и — приложенное напряжение, П — начальное напряжение ионизации.
Зависимость от напряжения в твердых диэлектриках, содержащих газовые соединения, представлена на рисунке 1. Эту зависимость называют кривой ионизации, а точку С — точкой ионизации.
и; и: ¡т"
Рис. 1. Зависимость tgS от напряжения в твердом диэлектрике, содержащем газовые соединения.
При повышении напряжения, если значение напряжения электрического поля в газовом соединении достигает значения пробоя, происходит разряд (прокол). Такие разряды называются частичными разрядами. В электроизоляции электрических машин и устройств, кабелей и других устройств имеются газовые соединения разных размеров. Поэтому с ростом напряжения tg£увеличивается и принимает максимальное значение при ит^2иг. Ионизация газовых соединений нагревает твердый изоляционный материал и вызывает его разрушение. Ионизация воздуха приводит к образованию озона и оксидов азота. Ионизация соединений воздуха в органическом утеплителе приводит к его химическому разложению.
Потери, вызванные ионизацией воздуха (коронным разрядом) в проводах высоковольтных линий электропередачи, снижают полезный коэффициент использования линии.
Электропроводность газов. При малых значениях напряжения электрического поля электропроводность газов крайне мала. В газах ток может возникать при наличии ионов или свободных электронов. Ионизация нейтрального молекулярного газа может быть вызвана либо воздействием внешних факторов, либо в результате столкновения ионизированных частиц с молекулами газа в электрическом поле самого газа (ударная ионизация).
К внешним факторам, вызывающим ионизацию газа, относятся рентгеновские лучи, ультрафиолетовые и космические лучи, радиоактивное излучение и тепловые воздействия (твердый нагрев газа).
В процессе ионизации положительные ионы соединяются с отрицательными частицами, образуя нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией.
Наличие рекомбинации предотвращает бесконечное увеличение количества ионов в газе и поддерживает определенную плотность ионов за счет воздействия внешнего ионизатора.
Проводимость в газах называется несвободной проводимостью, если она обусловлена внешним ионизатором, и свободной проводимостью, если она обусловлена ударной ионизацией.
Предположим, что ионизированный газ помещен между двумя параллельными плоскими электродами. Под действием напряжения, приложенного к электродам, ионы перемещаются и создают ток в цепи. Часть ионов нейтрализуется на электродах, а часть исчезает вследствие рекомбинации.
На рис. 2 представлена зависимость тока от напряжения в газах. На начальном участке кривой закон Ома выполняется вплоть до напряжения и/, при этом количество положительных и отрицательных ионов не зависит от напряжения.
г
Уд Укр У
Рисунок 2. Зависимость тока в газе от напряжения.
Последующее повышение напряжения переносит ионы на электроды и времени на рекомбинацию не остается. При определенном значении напряжения все ионы, образующиеся в газовом зазоре, нейтрализуются на электродах. Последующее увеличение напряжения не приводит к увеличению тока. Ему соответствует горизонтальная часть кривой (ток насыщения от Ц до икр). В
обычных условиях для воздуха ток насыщения наблюдается при напряжении поля 0,6 В/м при расстоянии между электродами 1 см.
Плотность тока насыщения для воздуха составляет 10-15 А/м2. Поскольку это очень маленькая величина, воздух можно считать хорошим диэлектриком до тех пор, пока не возникнут условия ударной ионизации. При увеличении напряжения величина тока остается постоянной до тех пор, пока не произойдет ионизация под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (при значениях выше Икр) ток быстро возрастает с ростом напряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: Высшая школа. 2003;
2. Разевиг Д.В., Соколова М.В. Расчет начальных и разрядных напряжений газовых промежутков. М.: Энергия, 1977.- 178 с;
3. Пириева Н.М. /Применения неравновесных электроразрядов в химических реакциях/ Журнал «Инновационные научные исследования», Научно-издательский центр Вестник науки, № 5-3 (19) may 2022, стр 5-14;
4. Safiyev E.S, Piriyeva N.M. On the issue of assessing the temperature index and the range of heat resistance of polymeric electrical insulating materials / News of Azerbaijan Higher Technical Schools No. 1 Baku, 2022 p. 49-51
Valieva L.F.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
GASES. DIELECTRIC LOSSES IN GASES AND THEIR ELECTRICAL CONDUCTIVITY
Abstract: gases are characterized by low density due to the large intermolecular distance. Therefore, the polarization of gases is insignificant, and the dielectric constant is close to unity. Electron polarization can occur in gases, and dipole polarization can occur when gas molecules are polar, but electron polarization plays a key role for polar gases as well. Gases, their dielectric permittivity and electrical conductivity are considered in the article.
Keywords: gases, polarization, aggregate state, electrical conductivity, dielectric losses.
