7. Электрический разряд в газах. Закон Пашена. Подобие разрядных промежутков.

Подобие разрядных промежутков:

– условие самостоятельности разряда в газах. Пренебрежём эффектом прилипания и предположим, что плотность газа относительно невелика. Тогда получим: . Также имеем экспериментально подтверждённую формулу Таунсенда: . Приравняв их, найдём . Данное напряжение также носит название начального, как минимально необходимое для поддержания ионизационных процессов. Это означает, что при одновременном пропорциональном увеличении давления и уменьшении длины промежутка пробивное напряжение не изменяется. Данное явление определяет так называемый закон подобия газовых промежутков – разные по длине промежутки, находящиеся при разных давлениях могут иметь одинаковое пробивное напряжение.

Закон Пашена:

Графически, Закон Пашена для воздуха при Т=393 К (но может быть и для 293 К, так как написаны слова про нормальные условия в углу графика), имеет вид:

Для других температурных условий, можно воспользоваться следующей формулой: . В области низких давлений и коротких промежутков, а также в области высоких давлений и длинных промежутков наблюдаются отклонения от закона Пашена. В первом случае (малые P·S) главными явлениями становятся не электронные лавины, а эмиссионные явления на катоде, обеспечивающие достаточное число частиц в промежутке. Ударная ионизация при низких давлениях и, следовательно, при весьма малых концентрациях нейтральных частиц малоэффективна для насыщения промежутка заряженными частицами. В случае высоких давлений и длинных промежутков разряд происходит в стримерной форме, где доминируют процессы фотоионизации. При создании различного высоковольтного электрооборудования с газовой или вакуумной изоляцией следует принимать во внимание закон Пашена. В частности, следует избегать значений P·S, близких к точке минимума кривой. в которой Uпр≈300 В

Практическое использование закона Пашена: вакуумная изоляция установок высокого напряжения; газовая изоляция высокого давления.

8. Электрический разряд в газах. Примеры и характеристики неоднородных электрических полей.

На самом деле однородные поля в реальных технических устройствах высоковольтной электроэнергетики встречаются достаточно редко. Для создания полей близких к однородному необходимы электроды специальной формы. Геометрию таких электродов рассчитали ещё в начале прошлого века Роговский и Фелиси. Характерно, что форма закругления краем электродов выбрана таким образом, что по мере удаления от области однородного поля к краям электродов напряжённость электрического поля убывает. Поэтому электроразрядные процессы будут происходить, прежде всего, в области однородного поля. Максимальная напряжённость электрического поля, которая согласно законам электростатики имеет место на краю электрода практически равна средней напряжённости в центре конфигурации.

1. Цилиндрический провод над плоскостью

2. Два параллельных цилиндрических провода

3. Стержень плоскость

4. Коаксиал

9. Электрический разряд в газах. Разряд в неоднородном электрическом поле. Эффект полярности электродов. Главный разряд.

Разряд в неоднородном электрическом поле:

E₀ - начальная напряжённость разряда. минимальное значение E_max имеет место при ε=2,718. В неоднородном электрическом поле, электрический разряд происходит при меньших ε, чем в однородном. В качестве примера, приведён коаксиальный кабель. Как видно, у внутреннего электрода (точка 1), неоднородность поля выше и там могут происходить как коронные разряды без полного перекрытия, так и стримеры. В этом 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 приведёт 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.

Эффект полярности электродов:

E – вакуумное поле, Е_∑ - суммарное поле с учётом объёмного заряда после ионизации.

Как видно из графиков, полярность электрода влияет на развитие пробоя. Поскольку электрод имеет положительный знак, то эмиссия электронов из него невозможна и ионизационные процессы начнутся на некотором удалении от него. При этом электроны, как лёгкие частицы, быстро переместятся на анод и будут там нейтрализованы. Относительно медленные положительные ионы усилят внешнее поле в области впереди острия, что облегчит развитие ионизации и распространение ионизационной области в направлении катода. Рассмотрим теперь случай отрицательного острия. Электроны первичной лавины, образующиеся непосредственно вблизи поверхности острия, быстро покидают ионизационную область и двигаясь в область слабого поля по мере удаления от острия захватываются нейтральными частицами. Оставшийся положительный объёмный заряд ионов ослабляет поле впереди острия, чем затрудняет развитие новых лавин и распространение ионизационной области в направлении к аноду. Поэтому для перекрытия промежутка с отрицательным острием при прочих равных условиях потребуется более высокое приложенное напряжение.

Главный разряд: после пересечения стримером промежутка наступает стадия главного разряда – образование хорошо проводящего светящегося канала искры.

Стримерный канал представляет собой плазменное образование, содержащее положительные ионы и электроны. При этом основные ионизационные процессы происходят в головке стримера вследствие фотоионизациии. Плазма стримера обладает некоторой электропроводностью, поэтому потенциал электрода с которого стартовал стример, частично выносится в глубь промежутка. Поэтому ещё до пересечения стримером промежутка при приближении его к противоположному электроду поле в оставшемся между ними промежутке усиливается многократно. Интенсивность ионизации в нём становится настолько большой, что образуется плазма с высокой проводимостью, которая становится продолжением анода. В результате область усиления поля начинает перемещаться в обратном направлении одновременно с распространением хорошо проводящей плазменной области (канала обратного разряда). По мере продвижения области усиленного поля «2» вдоль канала стримера к катоду стримерный канал замещается каналом обратного разряда. Скорость распространения зоны перестройки стримерного канала в канал обратного разряда составляет величину порядка 10⁷ м/с. Процесс пробоя завершается полным перекрытием каналом обратного разряда газового промежутка. При наличии источника питания достаточной мощности канал обратного разряда разогревается, ещё больше увеличивая свою электропроводность и разряд переходит в дуговую стадию. Импульсная дуга носит название искры или искрового разряда.