11. Розряд в неоднорідних полях

У неоднорідному полі, на відміну від однорідного, напруженість поля в різних точках проміжку різна за величиною чи за напрямком. До типових проміжків з неоднорідним полем відносяться стрижень-стрижень, стрижень площина, провід-земля і інші реальні ізоляційні проміжки.

На рис 1.9 наведені залежності напруженості від відстані між електродами типу стрижень-площина.

Основні закономірності розвитку розрядів у будь-яких різко неоднорідних полях ( ) практично однакові. При деякій початковій напрузі в проміжку виникає самостійний розряд в лавинній формі, оскільки поблизу стрижня є область з напруженістю, що перевищує значення , яке відповідає виникненню самостійної форми розряду (рис. 1.9). Розряд локалізується в цій області, а вторинні лавини підтримуються або за рахунок фотойонізації з об’єму газу (при додатній полярності стрижня), або за рахунок фотоемісії чи автоелектронної (холодної) емісії з катода (при від’ємній полярності стержня). Такий розряд називається коронним розрядом в лавинній формі. Значення напруги і напруженості поля на електроді при виникненні коронного розряду залежить від міри неоднорідності поля. Зі збільшенням міри неоднорідності напруженість на електроді-стрижні збільшується, а напруга виникнення корони зменшується.

Рисунок 1.9 – Залежність напруженості електричного поля від віддалі між електродами типу стрижень-площина: 1 - ; 2 - ; 3 - - напруженість виникнення самостійної форми розряду

При збільшенні напруги більше , коли кількість електронів у лавині зростає до 10⁷-10⁹, вона переходить у плазмовий стан і в проміжку виникає стример біля електрода з підвищеною напруженістю електричного поля. Якщо в однорідному полі виниклий стример перетинає весь міжелектродний простір, то в різко неоднорідному полі залежно від напруги стример, пройшовши деяку відстань, може зупинитися. При цьому плазма його розпадеться, але поблизу вістря виникають нові стримери, котрі також зупиняються і їх плазма розпадається.

Такий стан розряду стійкий, оскільки при цьому виконується умова самостійності розряду. Цей випадок, коли стримери не досягають протилежного електрода, отримав назву коронного розряду в стримерній формі.

Для пробою всього міжелектродного проміжку необхідно ще збільшувати напругу. Тоді утворюється канал, котрий рухається від електрода з підвищеною напруженістю (вістря) до протилежного електрода. При пересіченні іскровим каналом всього проміжку він перетворюється в електричну дугу, що означає завершення пробою. В різконеоднорідних полях напруга пробою завжди більша за напругу виникнення коронного розряду в будь-якій формі.

13. Ефект полярності

У слабконерівномірних полях, де мінімальний і середній градієнти напруги мало відрізняються один від одного, коронна і розрядна напруги практично співпадають одна з одною, вплив полярності невеликий. В сильнонерівномірному полі коронна напруга набагато нижча від розрядної, полярність при несиметричних електродах суттєво впливає на величину розрядної наруги. В проміжку вістря-площина формування розряду залежить від полярності вістря.

При додатній полярності вістря, електрони, що знаходяться в проміжку, рухаючись до вістря в область сильного поля, створюють ударну йонізацію і утворюють лавину електронів. Коли лавина доходить до вістря, електрони лавини нейтралізуються на аноді, а додатні йони внаслідок малої швидкості руху залишаються біля вістря і створюють додатний об’ємний заряд, котрий має власне електричне поле. Взаємодіючи з зовнішнім полем в проміжку, додатній об’ємний заряд послаблює поле поблизу вістря і підсилює його в решті проміжку (рис. 1.10, а). Якщо напруга між електродами достатньо велика, то виникає лавина електронів справа від об’ємного заряду, електрони котрої, змішуючись з додатними йонами об’ємного заряду, створюють зародок каналу анодного стримера, заповнений плазмою. Запалюється стримерний коронний розряд. Додатні заряди цієї лавини будуть розміщуватися на головці стримера і створювати область підвищеної напруженості у зовнішньому просторі. Наявність області сильного поля забезпечує створення нових лавин, електрони котрих втягуються в канал стримера, поступово видовжуючи його. Стример проростає до катода, спричиняючи пробій проміжку при порівняно малій величині розрядної напруги.

При від’ємній полярності вістря електричне поле безпосередньо біля вістря призводить до емісії електронів з катоду, котрі зразу попадають сильне поле і спричиняють ударну йонізацію, утворюючи велику кількість лавин. Електрони лавин, переміщуючись в слабке поле біля анода, втрачають швидкість, захоплюються нейтральними молекулами, робляться від’ємними йонами, що розсіяні в просторі. Додатні йони лавин утворюють об’ємний заряд біля вістря, котрий, взаємодіючи з зовнішнім полем, буде збільшувати напруженість безпосередньо біля вістря і зменшувати в іншій частині проміжку (рис. 1.10, б). Збільшення поля біля вістря призводить до підсилення емісії електронів з поверхні катода, котрі, змішуючись з додатним об’ємним зарядом, утворюють біля катода зародок катодного стримера.

Рисунок 1.10 – Утворення анодного а) і катодного б) стримера: - напруженість зовнішнього поля; - напруженість поля об’ємного додатного заряду; - результуюча напруженість в проміжку після йонізації

Внаслідок великої кількості початкових лавин біля катода плазмовий канал тут представляє собою більш чи менш однорідний шар з радіусом кривизни більшим, ніж біля вістря. Тому електричне поле трошки вирівнюється і напруженість в зовнішній області зменшується.

Рисунок 1.11 – Залежність пробивної напруги від відстані між електродами стрижень-площина на імпульсній напрузі: 1 – додатна полярність вістря; 2 – від’ємна полярність вістря; 3 – однорідне поле.

Зменшення напруженості електричного поля у зовнішньому просторі призводить до того, що для подальшої йонізації в цій частині проміжку необхідно значно збільшити різницю потенціалу між електродами.

При подальшому збільшенні напруги відбувається йонізація праворуч від плазмового шару, велика кількість утвірних лавин призводить до видовження стримера. Однак, також, як і на початку, завдяки великій кількості лавин головка стримера розмита, і зростання напруженості на головці стримера виявляється значно меншим, ніж при додатному вістрі.

У силу розглянутих вище особливостей розвиток стримера при від’ємному вістрі відбувається з більшими труднощами, тому розрядна напруга при від’ємній полярності вістря більша, ніж при додатній полярності (в 2-2,5 рази).

На змінній напрузі пробій відбувається завжди на додатній полярності.

15. ефект

Вагомий вплив об’ємного заряду на розвиток розряду в проміжку з різконерівномірним полем використовується на практиці для збільшення розрядних напруг ізоляційних проміжків. Це збільшення досягається розміщенням у проміжку бар’єрів з твердого діелектрика (електрокартон, гетинакс і ін.). При додатному вістрі додатні йони осідають на бар’єр і розтікаються по його поверхні тим рівномірніше, чим далі від вістря розміщений бар’єр. Це призводить до більш рівномірного розподілу напруженості в проміжку між бар’єром і площиною (рис 1.12, а) і, як наслідок, до збільшення розрядної напруги.

При від’ємній полярності стрижня електрони, рухаючись від вістря, потрапляють на бар’єр, втрачають швидкість і більшість з них разом з атомами кисню стають від’ємними йонами. На бар’єрі в цьому випадку з’являється концентрований від’ємний заряд, що збільшує напруженість електричного поля не тільки між додатним об’ємним зарядом біля вістря і бар’єром, але і у зовнішньому просторі (рис 1.12, б). Тому при від’ємній полярності вістря збільшення розрядної наруги в проміжку за наявності бар’єра буде незначним. При розміщенні бар’єра в середній частині проміжку, розрядні напруги при від’ємній і додатній полярностях близькі. При розміщенні бар’єра в безпосередній близькості від додатного вістря роль його зменшується внаслідок різкої нерівномірності розподілу зарядів на бар’єрі. Напруженість поля виявляється достатньою для того, щоб йонізаційні процеси проходили з другої сторони бар’єра. Бар’єр, розміщений в безпосередній близькості від від’ємного вістря, не здатен затримувати швидкі електрони з вістря, котрі проходять крізь бар’єр до площини.

Таким чином, бар’єри в проміжку встановлюються на такій оптимальній відстані від вістря, при котрій розрядні напруги максимальні (20-30% від довжини проміжку між електродами), причому при додатній полярності вістря розрядна напруга може збільшитися в два рази порівняно з проміжком без бар’єра (рис. 1.13).

Рисунок 1.12 – Розподіл напруженості поля в міжелектродному просторі за наявності бар’єра: а) – додатна полярність стрижня; б) – від’ємна полярність стрижня; 1 – розподіл напруженості поля без бар’єра; 2 – розподіл напруженості поля з бар’єром

Рисунок 1.13 – Вплив бар’єра на пробивну напругу газового проміжку при додатній (1,3) і від’ємній (2,4) полярностях напруги: 1,2 – пробивна напруга проміжку без бар’єра; 3,4 – пробивна напруга проміжку з бар’єром

Бар’єри широко використовуються у високовольтних конструкціях, що працюють як на повітрі, так і в оливі (високовольтні вводи, трансформатори і ін.). При змінній напрузі електрична міцність на додатній полярності збільшується і наближається до електричної міцності при від’ємній полярності.