4.9 Развитие разряда в неоднородном поле

Слабонеоднородные и резконеоднородные поля. Характерной особенностью неоднородного поля является нерав­номерное распределение напряжённости поля в пространстве. Наи­большая величина напряжённости имеет место у электрода с наимень­шим радиусом кривизны. Если электроды одинаковой формы, то наи­большая напряжённость будет у электродов, а наименьшая – в середи­не между электродами.

Рисунок 4.25 – Примеры неоднородных полей

Степень неоднородности электрического поля характеризуется отношением максимальной напряженности (Е_м) к средней напряжённости поля . Для однородного поля , а в неоднородных полях он увеличивается при увеличении расстояния меж­ду электродами и уменьшении их радиуса кривизны. Неоднородность электрического поля может оказать существен­ное влияние на развитие разряда между электродами.

В зависимости от степени неоднородности в промежутке возмож­ны три случая возникновения самостоятельного разряда:

- начальная лавина пересекает весь промежуток, и после этого образуется анодный стример;

- начальная лавина пересекает часть промежутка, но после обра­зования стримера напряжённость в остальной части пространства обеспечивает распространение этого стримера вплоть до противопо­ложного электрода;

- начальная лавина пересекает незначительную часть пространст­ва, и образовавшиеся стримеры не могут распространиться до проти­воположного электрода.

Самостоятельный разряд, охватывающий только часть простран­ства, прилегающую к электроду с малой кривизной, называется ко­ронным разрядом. Для осуществления полного пробоя промежутка в этом случае необходимо напряжение поднять значительно выше на­пряжения зажигания самостоятельного разряда.

Первые два случая принято называть слабонеоднородными полями. В них корона не возникает и выполнение условия самостоя­тельности разряда приводит всегда к полному пробою промежутка. Третий случай соответствует резконеоднородным полям, в которых напряжение пробоя значительно выше напряжения короны и сильно сказывается влияние полярности электродов. Четкой границы между ними нет. Однако можно принять для слабонеоднородных полей коэф­фициент неоднородности К < 2, а характерные особенности развития разряда в резконеоднородных полях начинают чётко проявляться при К > 4.

В однородных полях при напряжении меньше разрядного иониза­ция в промежутке практически отсутствует. Поэтому начальная лавина в однородном поле развивается практически при отсутствии объёмного заряда. Приблизительно такие же условия имеют место и в слабонеоднородных полях.

В резконеоднородных полях условия развития разряда совершен­но иные. Так, например, в цилиндрическом конденсаторе r = 0,1 и R = 5 см напряжение пробоя U_пр = 90 кВ, а напряжение короны U_к = 30 кВ, что соответствует напряжённости на внутреннем электроде 230 и 77 кВ/см. Поэтому даже при напряжении в 2 раза меньше корон­ного и в 6 раз меньше разрядного напряжённость превышает 30 кВ/см. Если напряжение увеличивается медленно, то ещё задолго до появле­ния короны в непосредственной близости от внутреннего электрода будет происходить довольно интенсивная ионизация (несамостоятельный разряд) Объёмные разряды, создаваемые предварительной иони­зацией, оказывают существенное влияние на дальнейший процесс, и с ними необходимо считаться.

Пересечение стримером при любой полярности всего межэлек­тродного промежутка обеспечивает полный пробой, но не является по­следней стадией разряда. Канал стримера является проводящим и на­пряжённость поля в канале невелика. Поэтому стример является как бы продолжением стержня, и его головка имеет потенциал, близкий к по­тенциалу стержня. Когда стример приблизится к противоположному электроду достаточно близко, напряжённость поля в непробитой части сильно возрастает и возникает весьма интенсивная ионизация, превра­щая этот промежуток в плазму с высокой проводимостью (плотность ионов больше чем в канале стримера). Напряжённость поля на границе вновь образованного канала возрастает и приводит к распространению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню (рисунок 4.26).

Этот процесс называют обратным или главным разрядом. Об­ратный разряд развивается в направлении к стержню с очень большой скоростью ~ 10⁹ см/с. Он обеспечивает создание канала высокой проводимости, через который начинает проходить ток короткого замыка­ния источника.

Переход стримера в искровой разряд в длинных воздушных промежутках. Лидерная стадия заряда. В воздушных промежутках (единицы и десятки метров) разряд приобретает новые качественные особенности. Проводимость стриме­ров уже недостаточна для создания хорошего проводящего канала ме­жду электродами, и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой, так называемой лидерной форме. Схема развития положитель­ного лидера (по Стекольникову) представлена на рисунке 4.27.

Рисунок 4.26 – Стадии развития обратного разряда и распределение продольной напряженности электрического поля в канале

Рисунок 4.27 – Схема развития положительного лидера

(по Стекольникову):

а – распространение лидера по каналу стримера mк;

у головки стримера происходит образование новых лавин;

б – завершение переработки канала стримера в лидер;

в – образование нового стримера к1 и новых лавин

Длинные промежутки (резконеоднородное поле):

Короткие промежутки (однородное поле):

Р исунок 4.28 – Последовательность стадий разряда в однородном и резконеоднородном полях

Когда лидерный канал достигает конца стримера, наступает пау­за. Высокие напряженности на конце лидера приводят к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал.

В длинных воздушных промежутках разряд происходит при по­ниженных напряжённостях поля, порядка Ер = (1–2) кВ/см.

Это свойство лидерного разряда создаёт трудности в построении ЛЭП сверхвысокого напряжения.

В длинных воздушных промежутках (сотни и тысячи метров) между облаком и землёй возникает молния. Гипотеза М. В. Ломоносова (1753 г.), считавшего молнию как разряд атмосферного электричества на землю или между облаками, лежит в основе современных теорий развития грозы.

Различают три типа гроз: фронтальные, тепловые и зимние. Последние являются редким явлением, причина которых заключается в фотоионизации кристалликов льда в верхних слоях атмосферы.

Электрический разряд между заряженными областями грозового облака и землёй может происходить в виде линейной, шаровой молний и тихого разряда (рисунки 4.29, 4,30).

Рисунок 4.29 – Типичное распределение зарядов внутри грозового облака

Линейная молния в основных чертах подобна электрическому разряду между электродами генератора импульсных напряжений (ГИН). Она отмечается наиболее часто и является источником возникновения атмосферных перенапряжений.

Шаровая молния изучена в настоящее время недостаточно.

Тихий разряд (огни Святого Эльма) возникает на острых возвышающихся предметах во время грозы при высокой напряженности электрического поля над поверхностью земли или над мачтами судов в открытом море.

Схема развития лидера линейной молнии приведена на рисунке 4.31. Прорастание канала нисходящего лидера до поверхности земли является завершением начальной стадии развития молнии – создания непрерывного проводящего канала от заряженной части облака к земле. В ряде случаев объёмный заряд начинает стекать по каналу в землю, приводя к новому этапу – главной стадии разряда.

Процесс превращения канала лидера в канал главной стадии распространяется от земли к облаку с большой скоростью. Яркое свечение канала главной стадии и воспринимается глазом как вспышка молнии, а быстрое расширение газа при нагреве током главной стадии, его последующее охлаждение и сжатие порождает акустическую волну – гром молнии.

Рисунок 4.30 – Схема образования шаровой молнии

Рисунок 4.31 – Схема развития лидера молнии

Барьеры в резконеоднородном поле. В резконеоднородном поле прочность промежутка может быть повышена введением в разрядный промежуток барьера. Барьером на­зывается тонкая пластинка из изолирующего материала, которая уста­навливается в газовом промежутке (или масляном). В газовом проме­жутке, о котором шла речь раньше, электрическая прочность барьера не играет существенной роли. Поэтому с успехом может быть исполь­зована в качестве барьера плотная бумага.

Значительное влияние барьера в газовой среде на электрическую прочность промежутка связано с изменением пространственного объёемного заряда, создающегося в процессе развития ионизации. Рассмот­рим вначале промежуток остриё - плоскость при положительной по­лярности острия.

При установке барьера положительные ионы задерживаются барьером и растекаются по его поверхности. Распределение ионов по барьеру оказывается тем равномернее, чем дальше от стержня распо­ложен барьер. Напряжённость поля во внешней области, как и прежде, будет увеличиваться, но теперь это повышение напряжённости распро­страняется по всему внешнему пространству более равномерно и силь­ного повышения напряжённости на барьере не происходит. Поэтому при положительной полярности стержня барьер, установленный вбли­зи у стержня, но не в непосредственной близости от него, приводит к значительному увеличению напряжения.

Иначе дело обстоит при отрицательной полярности острия. Элек­троны тормозятся барьером и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют отрицательные ионы, распространяющиеся по по­верхности барьера. Таким образом, барьер способствует созданию концентрированного отрицательного объёмного заряда, который при отсутствии барьера, как мы отмечали ранее, имел меньшую величину (часть доходила до плоскости) и был рассеян в пространстве. Поэтому, если раньше играл основную роль положительный объёмный заряд, который ослаблял напряжённость во внешнем поле, теперь эту роль играет от­рицательный сконцентрированный заряд, который увеличивает напря­жённость во внешнем поле. Следовательно, при отрицательной поляр­ности острия установленный барьер в середине промежутка должен уменьшать разрядное напряжение. Эксперименты показывают, что при расположении барьера в середине промежутка разрядные напряжения при положительной и отрицательной полярности приблизительно оди­наковы. Можно считать, что в этом случае прочность всего промежут­ка в значительной мере определяется прочностью промежутка между барьером и плоскостью, обладающей относительно однородным по­лем.

Рисунок 4.32 – Распределение напряжённости поля в промежутке «положительный стержень – отрицательная плоскость» при наличии барьера

При расположении барьера вблизи острия при положительной полярности объёмный заряд распределяется неравномерно, напряжён­ность поля на барьере оказывается довольно большой и достаточной для ионизации по другую сторону. Положительные ионы, образующиеся там, не задерживаются барьером и способствуют развитию раз­ряда в глубь промежутка.

При отрицательной полярности барьер не может задерживать электроны, летящие с большой скоростью, и значительного отрица­тельного заряда на барьере не возникает. Положительные ионы, соз­данные при ионизации по другую сторону, заряжают барьер положи­тельно и приводят к большему уменьшению поля во внешней среде. Поэтому при отрицательной полярности расположение барьера вблизи к острию может привести к незначительному возрастанию разрядного напряжения. Наличие пор в результате пробоя может полностью унич­тожить его положительное действие. При переменном напряжении пробой происходит во время полупериода той полярности, при которой разрядное напряжение ниже. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении поло­жительной полярности.