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Der Einflu der Luftfeuchtigkeit auf den elektrischen Durchschlag in Luft.

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Der EinffuB der Lufffeuchiigkeii
auf den efekirischen Durchschfag in Lufi
V o n WilfriedK o h r m a n n
Mit 6 Abbildnngen
Professor Rudolf Seeliger zurn 70. Geburtstage gewidmet
Inhaltsiibersicht
Die folgende Untersuchung hat den Zweck, die vorliegende Diskrepanz
in den Werten der statischen Durchbruchspannung von Luft zu klaren, die
zwischen den Standardwerten und den neueren Messungen besteht. Es werden
Messungen der statischen Durchbruchspannung einer Plattenfunkenstrecke
mitgeteilt, die zeigen, dalj die Luftfeuchtigkeit einen Einflulj auf die Durchbruchspannung hat. Erganzend dazu werden Messungen der Auf bauzeit bei
uberspannung gebracht, wodurch Aussagen iiber den Aufbaumechanismus
der Entladung gemacht werden konnen. Bei kleinen uberspannungen ist ein
T o w n s e n d -Mechanismus mit photoelektrischer Nachwirkung an der Kathode wirksam, wahrend bei grooeren uberspannungen ein Kanalaufbau
stattfindet. Durch den Zusatz von Wasserdampf verschiebt sich die Grenze
zm~ischenbeiden Aufbaumechanismen zu kleineren uberspannungen.
1. Einleitung
Fur die statische Durchbruchspannung einer Plattenfunkenstrecke in
Luft ergeben sich nacli den Messungen verschiedener Autoren unterschiedliche
Werte. Wahrend die mit Wechselspannung bestimmten Standardwerte l)
lange Zeit als gesichert galten, konnten z. B. von Brucez), F i s h e r 3 ) und
vom Verfasser4) bei einem Elektrodenabstand von 1 ern und Atmospharendruck kleinere Werte der statischen Durchbruchspannung festgestellt werden,
wobei die beiden letzten Messungen mit Gleichspannung durchgefuhrt wurden.
Es war schon vom Verfasser vermutet worden4), da13 der EinfluB der Luftfeuchtigkeit auf die Durchbruchspannung diesen Unterschied erklaren kann,
da z. B. die Messungen von F i s h e r ebenso wie die eigenen Messungen in
trockener Luft ausgefiihrt wurden, wahrend sich die Standardwerte auf einen
Wasserdampf-Partialdruck p , von 10 Torr beziehen.
-
_____
l ) W. 0. S c h u m a n n , Elelrtrische Durchbruchfeldstiirke in Gasen (Berlin 1923);
Landolt-Bornstein, 5. Aufl. Erg. I I I b , S. 1252; H. R i t z , Arch. f . Elektr. 26, 219 (1932);
11’. H o l z e r , Arch. f. Elektr. 26, 865 (1932).
2) F. M. B r u c e , J. Instn. Electr. Engrs. 94 (11), 138 (1947).
3) L. H. F i s h e r , Physic. Rev. 72, 423 (1947).
4 ) W. K o h r m a n n , Z . angew. Phys. 7, 183 (1955), Appl. SCI. Res. €3 5 , 286 (1965).
380
Annalen der Physik. 6. Folge. Band 18. 1956
2. Durchbruchspannung
a) Messungen bei Atmosphiirendruok
Zur Bestimmung der statischen Durohbruchspannung U D wurde eine
groljere Zahl von Funken-Durchbruchen gemessen. Abgesehen von anfanglich streuenden Werten (Wegbrennen von Staub), ergab sich eine Reproduzierbirkeit von etwa 0,05y0,
Tabelle 1
sofern Pausen von einer
Minute zwischen den Funken
eingehalten wurden. Die Unsicherheit in der Angabe von
U , = U D ( p , d ) ist jedoch
16,4 kV
16,8 kV
16,9 kV
0,5 em
groljer (w0,3%), da die
30,l
30,9
31,3
190
Fehler in der Druck-, Tem42,9
44,4
45,5
13
peratur und Abstandsmes66,s
57,6
59,1
2,o
sung beriicksichtigt werden
mussen. Die in der folgenden Tab. 1 dargesteliten Ergebnisse sind auf eine Gasdichte von 760 Torr und
20" C bezogen.
In der Abb. 1 sind die
Durchbruchfeldstarken zum
Vergleich mit anderen Messungen aufgetragen. Man
erkennt deutlich, dalj die
Kurve A fur p , = 0 Torr
mit
den Angaben von
05
10
15
ZOWn
dF i s h e r 3 ) ubereinstimrnt, der
Abb. 1. Durchbruchfeldstarke fur Luft von &moebenfalls in trockener Luft
spharendruck ( p = 760 Torr, 20' C); A 0Eigene Mesgemessen hat. Andererseits
sungen in trockener Luft (pw = 0 Torr); I3 Eigenc
Messungen in feuchter Luft (pm= 10 & 1 Torr); sieht man, dalj der Wert
Messungen von F i s h e r ; x Messungen von B r u c e ; von Bruce2) fur d = 2cm
C .y Werte nach S c h u m a n n (1935)
mit der eigenen Messung bei
pu, = 10 Torr sehr gut ubereinstimmt, wahrend sich die Werte von B r u c e fur kleinere Abstande nicht
in die Kurve B einfugen. B r u c e fuhrte seine Messungen in freier Atmosphare
aus, wobei er keine naheren Angaben iiber die Luftfeuchtigkeit machtes).
Grundsatzlich erkennt man, da13 die Werte von S c h u m a n n l ) , die sich auf
p , = 10 Torr und Messung mit Wechselspannung beziehen, wenigstens fur
d > 1 cm etwas zu hoch angesetzt sind.
-
v
5 ) In einer fruheren Veriiffentlichnng4) waren Nessungen bei verschiedenen Drucken
in einer Paschenkurve dargestellt worden. Unter Beriicksichtigung aller MeIjwerte wurde
eine mittlere Kurve gezeichnet, aus der die dort angegebenen Werte der Durchbruchspannung fur 760 Torr gewonnen wurden. Offenbar sind geringe sptematische Abweichungen vom Paschengesetz vorhanden, da alle MeIjpunkte fur Atinospharendruck
unter der mittleren Kurve liegen. Fur die hier angegebenen Werte werden nur die Messungen bei Atmosphiirendruck beriicksichtigt.
6 ) In einer Diskussion mit Meek behauptet B r u c e (Proc. Inst. Electr. Engrs. 98 (11),
362 (1951)),daB die Luftfeuchtigkeit keinen EinflulJ auf die Durchbruchspannung hat.
W . Kohrmann: EinfluP der Luftfeuchtigkeit auf elektrischen Durchschlag
381
b ) Messungen bei 600 Torr
Zur Feststellung der Durchbruchspannung bei variablen WasserdampfPartialdruck p , diente eine weitere MeBreihe. Dabei wurde nach der Evakuierung des Rezipienten eine abgewogene Wassermenge verdampft und der
Wasserdampf-Partialdruck p , gemessen. Darauf wurde getrocknete Luft
eingelassen, bis der Gesamtdruck p ,
pL = 500 Torr betrug. Bemerkenswert
ist, da13 unter diesen Bedingungen (abgeschlossener Rezipient, kein Austausch des Gasinhaltes mit der AuBenluft) bei trockener Luft ein Anwachsen
der Durchbruchspannung mit der Funkenzahl beobachtet wurde. Erst nach
etwa 100 Funken erreichte die
Durchbruchspannung einen relativ konstanten Wert. Die nach
dieser Methode durchgefuhrten
Messungen sind in Abb. 2 wiedergegeben.
Die Abhangigkeit der statischen Durchbruchspannung von
der Luftfeuchtigkeit p , war
schon fruher von Ritz') beobachtet worden. Bei Elektrodenpw
abstanden von 1 bzw. 2 em und
Abb.
2.
Durchbruchspannung
in AbhLngigkeit
Atmospharendruck fand R i t z im
von Wasserdampf-Partialdruck p,. GesamtBereich 2 < p , < 32 Torr einen
druck p , + pz = 500 Tom (20' Cj, Abstand
ahnlichen Verlauf der Durch- der Funkenstrecke d = 2 cm; x Anfangswert;
0nach 100 Durchschlagen
bruchspannung wie er in Abb. 2
dargestellt wird, jedoch liegen
die - Absolutwerte der Durchbruchspannung hoher als sie hier niitgeteilt
wurden (siehe Tab. 1).
uber die dnderung der statischen Durchbruchspannung UD mit der
Luftfeuchtigkeit bei groi3eren Abstanden (d = 4 bzw. 5 em) und Atmospharendruck berichtet Sc h r oder8).
+
-
3. Untersuchungen iiber den Aufbaumechanismus
a) Trockene Luft
Urn einen ersten Einblick in den Aufbaumechanismus zu bekommen,
wird man die mittlere Lawinenverstarkung e a d beim statischen Durchbruch
berechnen. Bei Benutzung der bekannten Werte fur den StoBionisierungskoeffizienten ergibt sich a d = 12,O ( p = 500 Torr, d = 2 em, U D = 38,O kV).
Weiter rechnet man aus, dalS bei U = 40,4 kV, entsprechend einer uberspannung AUjUD = 6,3%, die in der Vorentladung ablaufenden Lawinen
die fur den Kanalaufbau kritische Verstarkungg)
a d = 17,7
lnd
gerade erreichen. Es ist daher zu erwarten, da13 bei groReren uberspannungen
als 6 , 3 % der Durchschlag durch einen Kanalaufbau eingeleitet wird, wahrend
bei kleineren Uberspannungen offenbar ein T o w nse n d -Aufbau stattfindet.
-
+
7)
H. R i t z , Arch. d. Elektr. 96, 219 (1932).
8)
Siehe die folqende Arbeit.
9)
H. R a e t h e r , Xatunviss. 98, 749 (1940); J. M. Meek, Physic. Rev. 67, 722 (1940).
382
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 18. 1956
Die durch Messung ermittelten Aufbauzeiten sind in Abb. 3 als Kurve A
aufgetragen lo). Zur Deutung werden diesen Messungen
- die theoretisch zu
erwartenden Aufbauzeiten gegeniibergestellt ; die Berechnung erfolgte in der in (4) angegebenen
Weise. Es ergeben sich bei dieser
Rechnung zwei Kurvenstiicke, die
an der Stelle AUIUD = 6,3 % nicht
stetig anschlieljen (Abb. 3 , Kurve
B). Die gemessenen Aufbauzeiten
zeigen an der Stelle A U / U D w 6 %
einen deutlichen Knick und bestatigen damit, dalj an dieser Stelle
der Townsend-Aufbau durch den
Kanalaufbau abgelost wird.
In der Nahe von 6 % uberspannung wird eine weitere Unstetigkeit beobachtet, die darin besteht, dalj fur AUIUB < 5,9 % stets
eine Stufe im Spannungsriickgang
UO
auftritt, wahrend bei AUjUD <
Abb. 3. Aufbauzeit als Funktion der Uber6,7 %immer ein glatter Durchbruch
spannung fur trockene Luft pql,= 0 Torr,
tler Spannung erfolgt, wie in (4)
pz = 500Torr (20' C ) , d = 2 cm; A M.essungen;
B Theoretische Kurve. Bei jeder Tfberspan- naher beschrieben. Lediglich in dem
nung werden 5 Oszillogramme ausgemessen ;der engen Zwischenbereich 5,9 <AUI
senkrechte Strich gibt den Bereich an, in dern
U D < 6,7 yo werden beide Erscheidie erhaltenen Zeiten liegen
nungen gleichzeitig beobachtet.
Da nach der obigen Rechnung die in der Vorentladung ablaufenden Lawine n bei 6,3 % diehritische Verstarkung erreichen, liegtfolgende Deutung
der Erscheinungen nahe : Der
Aufbau in Ionisierungsspielen
(Townsend-Aufbau) ist mit
einem stufenweisen Riickgang
der Spannung verbunden, wahrend fur den Kanalaufbau ein
schneller Zusammenbruch der
Spannung charakteristisch ist.
b) Feuchte Luft
0
2
4
6
8
10
12
Die gleichen Versuche wurden
nun in Luft mit Wasserdampffi,iOorr
zusatz durchgefuhrt.
pw
Abb. 4. Einsatzspannung fur den Kanalaufbau
in Abhlngigkeit vom Wasserdampf-Partialdruck pw. Unterhalb der ausgezogenen Kurve
erfolgt der Durchbruch mit einer Stufe, oberhalb wird ein glatter Zusammenbruch beobachtet. Der senkreehte Strich gibt den Ubergangsbereieh an, in dem beide h t e n des Spannungszusammenbruchs nebeneinander auftreten
lo) Die
Messungen wurden mit der
in (4)beschriebenen Apparatur durch-
gefuhrt. Durch Verwendung eines
st ass erst off-Thyratrons (Type P L 622
bzw. 5 C 22) konnte eine Anstiegszeit
dfs Impulses yon 2 . 10-8 sec erzielt
werdeq? so daB die Messungen bis zu
einer Uberspannung von 30y0 a m gedehnt werden konnten.
W . Kohrmann: EinfluP der Luftfeuchtigkeit auf elektrischen Durchsehlag
383
Zunachst wird bei verschiedenem Wasserdampf-Partialdruck p , der
Spannungsverlauf beim Zusammenbruch oszillographisch beobachtet. In
Abb. 4 ist der Absolutwert der Spannung aufgetragen, oberhalb der keine
Stufe im Spannungszusammenbruch gefunden wird. Aus der
Differenz A U dieses Spannungswertes mit der statischen Durchbruchspannung U , ergibt sich
die fur das Verschwinden der
Stufe kritische Uberspannung
AUjED (Abb. 5).
Weiter wird fur p , = 10 Torr
‘
I
die Aufbauzeit der Entladung in
0
1
o
z
4
6
8
10
12
14ror
Abhangigkeit von der Uberfw
spannung aufgenommen (Abb. 6).
Bei gleicher {Tberspannung er- Abb. 5. Kritische uberpannung A U!U, fur den
Kanalaufbau in Abhangiqkeit vom Wassergeben sich kleinere Aufbauzeiten dampf-Partialdruck p,, Erklarung siehe Abb. 4
als in trockener Luft; der Knick
im Kurvenverlauf ist zu kleineren Oberspannungen verschoben. Es 1aBt sich
daraus eine kritische uberspannung fur den Kanalaufbau von etwa 4% entnehmen. Dieser Wert ist in guter Obereinstimmung mit der kritischen uberspannung, die aus dem Verschwinden der Stufe ermittelt wurde.
Die Tatsache, daB mit wachsendem p , die kritische ifberspannung fur den Kanalaufbau
geringer wird, laBt sich daraus
verstehen, daB y durch den Wasserdampfzusatz kleiner wird (Absorption des Lawinen-Lichtes). Hierdurch n ird bei der statischen
Durchbruchspannung e a d grol3er
als ohne Wasserdampf-Zusatz sein,
so da13 der Einsatz des Kanalaufbaus nur einen geringeren Spannungszuwachs benotigt.
Weiter kann aus den Messungen
eine Verkleinerung von a bei wachsenderri p , abgelesen werden. In
Abb. 4 erkennt man, daB bei Zusatz von Wasserdampf eine hohere
Spannung angelegt werden muB,
um die Grenze des Kanalaufbaus
zu erreirhen. Beim Erreichen dieser Grenze hat die Lawinenverstarkung
einen bestimmten Wert (a d ) K . Die Abb. 4 laBt sich daher so deuten, daB
bei Wasserdampf-Zusatz eine hohere Spannung notwendig ist, urn gleiches
a zu erhalten. Daraus laat sich dann schlieBen, daB a - bezogen auf gleiche
Feldstarke - durch den Wasserdampf-Zusatz verkleinert wird. Ein Vergleich mit anderen Beobachtungen ist nicht moglich, da die bisherigen Mes-
-
384
Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 18. 1956
sungen von oc ausnahmslos in trockener Luft durchgefiihrt wurden. Aus dem
gleichen Grunde kann auch keine theoretische Betrachtung der Aufbauzeit
durchgefuhrt werden, wie sie fur trockene Luft Abb. 3 (Kurve B) zeigt.
Die hier mitgeteilten Ergebnisse zeigen, da13 der Wasserdampfgehalt der
Luft einen erheblichen EinfluB auf die Entladung hat, der sich in einer Anderung der Hohe der statischen Durchbruchspannung und der Aufbauzeit
aufiert, sowie in einer Verschiebung der Grenze, die den Aufbau in Lawinengenerationen vom Kanalaufbau trennt.
H a m b u r g , Institut fur Angewandte Physik der Universitat.
Bei der Redaktion eingegangen am 27. August 1956.
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