13.Электрический разряд в газах. Разряд в неоднородном электрическом поле. Корона при переменном напряжении.

1) Разряд в неоднородном электрическом поле.

В неоднородном поле, в отличие от однородного, напряжённость поля в различных точках промежутка разная по величине или по направлению. К типичным промежуткам с неоднородным полем относятся: стержень–стержень, стержень–плоскость, провод–земля и многие другие реальные изоляционные промежутки.

Рассмотрим особенности электрического разряда в неоднородном поле. В качестве первой конфигурации выберем коаксиальные электроды. На рисунке слева построена зависимость максимальной напряжённости электрического поля (напряжённости на поверхности внутреннего электрода) в зависимости от отношения радиусов внешнего и внутреннего электродов ε. При этом минимальное значeние имеет место при ε=e=2.718. Пусть E0 напряжённость начала ионизационных процессов (физическая характеристика газовой среды). При этом как видно из рисунка электрический разряд может начаться в случае малых ε (левая точка пересечения -1 горизонтальной линии и кривой ) или при больших ε (правая точка пересечения - 2). При этом дальнейшие сценарии для случаев 1 и 2 различны. В первом случае появление ионизованной области вблизи поверхности внутреннего электрода приведёт к эффективному увеличению радиуса последнего и, следовательно, к уменьшению ε. За этим согласно графику, последует дальнейшее возрастание напряжённости электрического поля, возрастание размера ионизованной области и перекрытия промежутка – пробой.

В случае 2 появление ионизованной области и соответствующее уменьшение ε приведет как видно из графика к снижению напряжённости электрического поля и полному или частичному прекращению ионизации. При этом после удаления заряженных частиц (дрейф, диффузия, конвективное движение) ионизационный процесс начнётся снова. Таким образом, во втором случае мы имеем незавершённый электроразрядный процесс, называемый коронным разрядом или короной. При коронном разряде ионизационная область сосредоточена вблизи электрода с малым радиусом кривизны и не распространяется на большие удаления от него. Полного перекрытия газового промежутка при этом не происходит. Для перекрытия требуется увеличить приложенное напряжение.

2) Корона при переменном напряжении.

При переменном напряжении знак потенциала коронирующего электрода (провода) меняется. В соответствии с этим при каждом изменении знака происходит перестройка объёмного заряда чехла короны. При переменном напряжении в случае коронирующего провода на ёмкостный ток провода на землю, накладывается активный ток, вызванный рассмотренным на предыдущем слайде движением заряженных части в чехле короны.

Поскольку коронный разряд генерирует в чехле короны объёмный заряд, знак которого совпадает со знаком провода, то его временная зависимость (штриховая кривая) будет отличаться от синусоидальной формы. В области максимумов кривой напряжения заряд провода буде расти быстрее, чем в случае наличия только геометрической ёмкости провода по отношению к земле. Кроме того, в силу инерционности процессов дрейфа заряженных частиц и перестройки коронного чехла изменение знака заряда будет происходить с некоторым опозданием по отношению к синусоидальной зависимости, имеющей место в отсутствии короны.

Появление объёмного заряда вблизи поверхности коронирующего провода ограничивает рост напряжённости электрического поля на уровне напряжённости начала короны. При этом соответствующая зависимость теряет синусоидальную форму за счёт прекращения роста напряжённости в процессе генерации объёмного заряда, как показано на кривой E(t) на верхнем графике. В соответствии с этим и потенциал провода перестаёт расти в процессе генерации заряда. Кроме того, зависимость потенциала от времени изменяет знак раньше, чем это следовало бы из синусоидального закона.

На нижнем графике показано, как к кривой чисто емкостного тока с провода на землю добавляются пики тока короны, возникающие в процессе генерации объёмного заряда. В частности, первый пик коронного тока начинает формироваться при достижении напряжённости электрического поля значения начальной напряжённости короны (точка 1) и прекращается в точке 2, когда напряжённость становится ниже этого значения. Поскольку фаза коронных пиков тока совпадает с фазой напряжения, очевидно, можно говорить о потерях энергии, связанных с протеканием тока короны.

На рисунках справа показаны состояния коронного чехла для различных фаз процесса. Отметим, что в середине положительного и отрицательного полупериода знак объёмного заряда соответственно положительный и отрицательный.

Поскольку фаза коронных пиков тока совпадает с фазой напряжения, очевидно, можно говорить о потерях энергии, связанных с протеканием тока короны.

Исходя из картины изменения структуры объёмного заряда коронного чехла (рис. 1) при циклическом (синусоидальном) изменении приложенного напряжения можно построить вольт-амперную характеристику, которая в силу присутствия активного коронного тока по форме отличается от эллипса.

Для оценки потерь, связанных с коронным разрядом более удобна вольт-кулоновая характеристика (рис.3). Формальное преобразование стандартной формулы мощности потерь, позволяет выразить их через заряд и напряжение (1). При этом соответствующий интеграл численно равен площади петли в координатах напряжение заряд (рис.3). Штрихами показана кривая начального роста потенциала провода.