Конструирование высоковольтных элементов радиоэлектронной аппаратуры

Лекция: Конструирование высоковольтных элементов РЭА

Вопросы:

1. Сущность электрической прочности

2. Факторы, влияющие на электрическую прочность промежутка

3. Факторы, влияющие на электрическую прочность при поверхностном разряде

4. Основные требования к конструкции высоковольтной РЭА

Высоковольтная аппаратура находит широкое применение с РЭА различного назначения. Обеспечение электрической прочности высоковольтной РЭА является одним из основных условий ее надежной работы. Для этого необходимо знать физическую сущность электрических разрядов, происходящих в различных конструкциях при воздействии различных климатических и механических факторов.

1. Сущность электрической прочности

Основными источниками ненадежной работы блоков высокого напряжения является пробой изоляции между элементами конструкции, имеющими высокую разность потенциалов.

В реальных радиоэлектронных конструкциях встречается три вида диэлектриков: твердые, жидкие и воздушные.

В отличие от пробоя твердого тела, который приводит к полному выходу его из строя, разряд в воздушном промежутке не сопровождается обычно повреждением.

Виды пробоя:

1. Коронный разряд – между электродами происходит ионизация молекул диэлектрика под действием электрического поля. Отличительной особенностью коронного разряда наличие свечения в очень узком канале низкой проводимости.

2. Искровой или дуговой разряд является следствием коронного разряда, когда расстояние между электродами сокращается (за счет металлической пыли и т.д.) и образуется достаточно широкий проводящий канал (на несколько порядков проводимость лучше).

3. Поверхностный разряд возникает на поверхности диэлектрика в результате образования проводящего канала из пыли или электролита, а также в результате возникновения неоднородного (с высокими градиентами напряженности) поля.

Виды разрушения:

1. Разрушение диэлектрика

2. Разрушение элементов конструкции

3. Короткое замыкание

2. Факторы, влияющие на электрическую прочность промежутка

2.1. Вид напряжения. Во-первых, это длительное действующие рабочие напряжения, т.е. номинальное напряжение ±10-20%. Во-вторых, внутреннее перенапряжение, возникающее при включении и отключении устройства. Эти перенапряжения воздействуют на изоляцию кратковременно, но величина их может значительно превышать номинальные напряжения.

2.2. Характер электрического поля. В РЭА имеют место  неоднородные поля, что вызвано краевыми эффектами и радиусами кривизны многих элементов конструкции, находящихся под напряжением. В неоднородном поле в точке неоднородности изоляция подвергается воздействию локальной напряженности электрического поля, которая превышает среднюю напряженность электрического поля, т.е. особенностью неоднородных полей является неравномерное распределение напряженности поля между электродами. В полях, образованных симметричными электродами, наибольшая напряженность поля имеет место на поверхности электродов, а минимальная – в середине промежутка. В полях с несимметричной формой электродов наибольшая напряженность будет на поверхности электрода меньшего радиуса кривизны, а область минимальной напряженности сместиться к противоположному электроду.

Степень неоднородности поля можно характеризовать коэффициентом неоднородности КН = ЕМАКС/ЕСР, где ЕСР = U/d (d – расстояние между электродами, U – приложенное напряжение). При КН≤2 можно считать поле слабо неоднородным и резко неоднородным при КН ≥ 2,5. При слабо однородном поле UР = UИ (UР - напряжение разряда, UИ – испытательное напряжение), в сильно неоднородных полях UР = UКОР (UКОР - напряжение короны),  а UКОР = UИ.

В неоднородных полях разряд начинается всегда в виде коронного разряда, который развивается только в той части газового промежутка, где напряженность поля наиболее высока, т.е. около острых углов. При коронном разряде между электродами не возникает канала высокой проводимости, т.е. промежуток сохраняет свое изолирующее свойство. Однако наличие коронного разряда является нежелательным, так как при дальнейшем увеличении напряжения он переходит в искровой или дуговой, т.е. через промежуток уже будет течь ток.

Напряжение отсутствия короны UОК = КЗП ·UИ, где UИ = UР: КЗП – коэффициент запаса прочности, при UИ ≤ 5 кВ, КЗП = 1,5…1,6; UИ   > 5 кВ, КЗП  = 1,2…1,35.

2.3. Частотная зависимость. Разрядные напряжения в диэлектриках зависят от частоты (рис.1). Имеется пять диапазонов частоты, где разрядное напряжение зависит от частоты. При изменении частоты от 0 до ƒКР  = 10⁴…10⁵ Гц разрядное напряжение остается практически неизменным. При ƒ = ƒКР разрядное напряжение снижается и при ƒ = 10⁸ Гц достигает минимального значения (на 15-20% ниже, чем при ƒ = 50 Гц).

Рис.1. Зависимость разрядного напряжения от частоты.

Снижение UР при увеличении частоты объясняется влиянием положительных зарядов, которые остаются в промежутке поля 1-го полупериода и увеличивает напряженность поля в следующий полупериод.

При частотах ƒ > ƒ₃ = 10⁷…10⁸ Гц начинается возрастание разрядного напряжения, причем оно может стать больше UР при ƒ = 50 Гц. Это увеличение объясняется тем, что на СВЧ время действия напряжения на полупериод становиться соизмеримым со временем разряда и для его завершения необходимо увеличить время разряда и увеличить приложенное напряжение.

2.2.4. Влияние влажности. Разрядное напряжение зависит от влажности. Напряжение отсутствия короны при влажности, наличии инея и росы определяется неравенством

UОКВ  ≤  KВ · UОК , где KВ – поправочный коэффициент на влажность.

2.5. Влияние давления. На рис.2 проиллюстрировано влияние Р на прочность электрического промежутка. Такая зависимость объясняется следующими причинами. При высоком давлении газообразного диэлектрика свободного пробега заряженных частиц мала и они не могут приобрести значительную кинетическую энергию. Поэтому вероятность ионизации электрического промежутка ограничена.

Рис.2. Влияние давления на электрическую прочность.