книги из ГПНТБ / Техника высоких напряжений учеб. пособие

мы электродов уменьшение пробивного напряжения в элегазе насту­

§ 2.7. ОБРАЗОВАНИЕ ИСКРОВОГО КАНАЛА В ДЛИННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ С СПЛЬНОНЕОДНОРОДНЫМ ПОЛЕМ

При длине промежутков порядка десятков сантиметров и более перед пробоем объемный заряд, внедренный лавинами и стримерами, существенно выравнивает поле промежутка на значительном расстоя­ нии от поверхности электрода. При этом напряженность поля в об­ ласти, пронизываемой стримером, оказывается не ниже 5-7-10 кв/см. В этих условиях длина стримеров также составляет десятки санти­ метров, а суммарный заряд электронов (1-7-2) 10“ 0 к. Согласно

. (2.24) при таком заряде, £ стр = 10 кв/см н гстр =0,05 см, температура основания канала стримера составит около 3000° К, что достаточно для термической ионизации газа.

Температура канала стримера неодинакова по его длине. Напри­ мер, через сечение стримера на середине его длины проходит около половины всех электронов стримера. Соответственно, в этом сечении

40

температура канала вдвое меньше, чем в основании. Поэтому лишь в основании стримера создается участок разогретого высокоионизированного канала с весьма низкой продольной напряженностью: десят­ ки—сотни вольт на 1 см. Возникновение такого участка приводит к повышению напряженности поля на его внешней границе, обращенной в сторону слабого поля, вследствие образования положительного за­ ряда весьма высокой концентрации после некоторого смещения элек­ тронов этого участка к аноду. Это приводит к последовательному об­ разованию новых стримеров, разогревание которых вызывает дальней­ шее удлинение канала искры. Одновре­ менно продолжается повышение темпе-

.ратуры в ранее образованных участках искрового канала, достигающей десят­ ков тысяч градусов (20-МО тыс. °К). Быстрое увеличение температуры газа

вискровом канале вызывает повышение давления в нем до 10ч-20 am и образо­ вание ударной звуковой волны.

По мере продвижения искрового ка­ нала в глубь разрядного промежутка появляются новые стримеры (рис. 2.16),

вто время как образованные ранее соз­

при этом образуется в объеме газа. Однако, поскольку стримеры раз­ виваются преимущественно в направлении к противоположному элек­ троду, это не означает, что количество объемного заряда на 1 см длины искрового канала также составляет 1-^2 мкк. Ориентировочно вели­ чина объемного заряда на единицу длины искрового канала в длин­ ных воздушных промежутках может быть оценена из следующих со­ ображений. Принимая напряженность поля в пределах стримерной зоны неизменной и равной средней величине Естр, получим падение напряжения в пределах стримерной зоны

^^стр ' -^стр^стр’

где /стр—длина стримеров.

Однородному полю в пределах стримерной зоны вокруг канала лидера соответствует объемный заряд с концентрацией

«я = е 0£'стр/г, где г — расстояние от оси искрового канала.

4!

части, вблизи электрода, при длинах фронта импульса напряжения свыше 1(Юч-500 мксек наблюдается толчкообразное развитие положи­ тельного лидера (см. рис. 2.17).

Приближение высокопроводящего канала лидера ко второму элек­ троду вызывает существенное увеличение напряженности поля в еще не перекрытой части промежутка, поскольку падение напряжения вдоль канала лидера мало (0,1 — 1 кв/см). При этом бурно нарастают ионизационные процессы и ток через разрядный промежуток. В соот­ ветствии с вышеизложенным основная часть положительного заряда

Рис. 2.17. Фоторазвертка развития лидера в проме­ жутке стержень — плоскость длиной 10 м:

I — стримеры; 2 — канал непрерывного лидера (затвор закрыт до начала стадии нейтрализации; на фотографии видна толь­ ко верхняя половина разрядного промежутка)

лидера расположена вне проводящего канала. Для его компенсации в канал лидера втягивается из катода избыточный отрицательный заряд (электроны), создающий высокие радиальные напряженности поля обратного знака (отрицательный заряд в канале лидера, поло­ жительный заряд вокруг канала). В результате с канала лидера разт вивается отрицательная корона, благодаря которой поток электронов нейтрализует положительный объемный заряд, окружающий канал лидера. Этот процесс сопровождается вспышкой свечения как канала искры, так й окружающего его пространства. Скорость распростра­ нения фронта ионизационных процессов в обратном направлении вдоль канала лидера достигает (14-2) ІО7 м/сек. Кратковременность стадия нейтрализации объемного заряда обусловливает наибольшую величи­ ну тока за все время развития разряда, значительно превышающую ток в последующей дуговой стадии, определяемой параметрами электрнт ческой цепи. По этой причине эту стадию иногда называют главной,

43

Однако, поскольку в лидерной и главной стадиях через каждое попе­ речное сечение искрового канала проходит одинаковое суммарное коли­ чество заряда, а расширение канала в главной стадии незначительно ввиду ее кратковременности, проводимость всего канала искры в главной стадии увеличивается не более чем на 50% по сравнению с проводимостью в конце лидерной стадии (по данным Б. Н. Горина).

§ 2.8. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА С ОТРИЦАТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННОГО ОСТРИЯ

Отличительной особенностью развития разряда в резконеоднород­ ном поле при отрицательном заряде на коронирующем электроде яв­ ляется образование в объеме газа ионов обоих знаков в приблизитель­ но одинаковом количестве. Действительно, в этом случае лавины развиваются в направлении от коронирующего электрода. Оставшиеся

после прохождения лавин положительные ноны располагаются вблизи электрода, а элек­ троны перемещаются в область слабого поля, захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы вблизи грани­ цы зоны ионизации.

Невозможность накопления в поле раз­ рядного промежутка избыточного отрицатель­ ного заряда создает ситуацию, аналогичную короткому замыканию: как бы ни был велик ток разряда, напряжение на промежутке не возрастает сверх начального напряжения ко­ роны. Напротив, из-за более близкого распо­ ложения положительных ионов к электроду составляющая потенциала электрода от объ­ емного заряда имеет положительный знак, что при неизменном или возрастающем напря­ жении на промежутке может иметь место толь­ ко при соответствующем увеличении заряда на электроде, сопровождающемся увеличением

напряженности поля вблизи электрода и резким увеличением интен­ сивности ионизации. В результате в чрезвычайно короткий промежу­ ток времени (ілД0~в сек) сильно искажается поле вблизи электрода (рис. 2.18). Сужение области высокой напряженности поля, в которой поддерживаются ионизационные процессы, до долей миллиметра и очень высокая напряженность поля в ее пределах обеспечивают'ско­ рость устранения создаваемых лавинами положительных ионов (с ней­ трализацией на поверхности электрода), достаточную для создания из­ бытка отрицательного объемного заряда. Например, при длине лавины 0,01 см и напряженности поля 100 кв/см при подвижности ионов 2 смі/в-сек весь созданный лавиной положительный заряд устраняется за 0,5-ІО-7 сек. Для создания же избытка отрицательного заряда до­ статочно частичное устранение положительных ионов.

44

Образование избыточного отрицательного объемного заряда при­ водит к снижению напряженности поля на поверхности коронирующего электрода и прекращению самостоятельного разряда. Продолжающая­ ся нейтрализация положительных ионов на электроде приводит к дальнейшему увеличению избыточного отрицательного заряда и соот­ ветственно к дальнейшему снижению напряженности поля на коронирующем электроде. Наименьшая величина напряженности поля на электроде соответствует ■моменту нейтрализации последних положи­ тельных ионов. В дальнейшем она увеличивается вследствие переме­ щения отрицательного объемного заряда от электрода в область сла­ бого поля. При начальном напряжении короны напряженность поля на поверхности электрода вновь достигает начальной напряженности короны Еп только после того, как весь отрицательный объемный заряд покинет поле разрядного промежутка. После этого вновь возникнет самостоятельный разряд, и процесс повторится.

При увеличении напряжения сверх начального напряжения коро­ ны для возникновения следующего импульса тока не требуется полного устранения отрицательных ионов из промежутка. Поэтому при увели­ чении напряжения интервалы между двумя последующими импульса­ ми уменьшаются до тех пор, пока не установится непрерывный режим короны. При этом поле вблизи коро­ нирующего электрода оказывается существенно выровненным отрица­ тельным объемным зарядом.

Благодаря такому бурному разви­ тию ионизационных процессов вбли­ зи поверхности электрода и сильному ослаблению поля за пределами зоны ионизации в импульсном режиме от­ рицательной короны образование от­ рицательных стримеров оказывается невозможным.

Дальнейшее повышение напряже­ ния после установления непрерыв­

ного режима короны приводит к образованию стримеров, как и в случае положительно заряженного электрода. Скорость их распро­ странения имеет такой же порядок, как и при положительном напря­ жении. Механизм развития отрицательного стримера иллюстрирован рис. 2.19. Высокая напряженность поля в области фронта отрицатель­ ного стримера создается электронами лавин..

После прохождения отрицательного стримера остается канал с ионами обоих знаков и облачко отрицательных ионов вблизи кончика затормозившегося стримера. Электроны продолжают движение от катода вдоль канала стримера в направлении к его концу. Значитель­ ная часть электронов присоединяется к нейтральным молекулам газа на периферии канала. Таким образом, механизм развития отрицатель­ ного стримера не обеспечивает создания избыточного отрицательного заряда в промежутке. Однако образование избыточного положитель­ ного заряда в канале стримера вблизи электрода вследствие смещения

45

электронов в сторону кончика стримера приводит к существенному по­ вышению напряженности поля, и вновь возникает разряд в лавинной форме, поставляющий в канал стримера электроны. Таким путем фор­ мируется избыточный отрицательный заряд в поле короннрующего промежутка, пронизываемом стримерами.

Движение электронов вдоль канала стримера приводит к его ра­ зогреванию. Причем, поскольку наибольшее количество заряда про­ ходит через начальную часть канала стримера, она разогревается больше, чем конечная. При достаточной длине стримеров температура канала стримера возрастает настолько, что начинается термическая ионизация газа и образуется канал лидера.

Длина каждого стримера, участвующего в развитии искровогоканала при импульсах, имитирующих грозовые перенапряжения (1,2/50 мксек), в промежутках длиной І4-3 м составляет 204-25 см. При напряженности поля в канале стримера Естр = 10 кв/с.н такой дли­ не соответствует падение напряжения на всей его длине 200-1-250 кв, что составляет значительную долю от напряжения на разрядном про­ межутке. Это обстоятельство затрудняет дальнейшее продвижение стримера без существенного уменьшения падения напряжения вдоль образовавшегося канала, что может быть осуществлено только в ре­ зультате его разогревания движущимся вдоль стримера потоком элек­ тронов.

-Время, необходимое для продвижения электронов вдоль стримера (на 204-25 см), при их скорости порядка ІО5 м/сек составляет 24-3 мксек. В действительности интервал времени между двумя последующими вспышками свечения канала составляет около 1 мксек, что свидетель­ ствует о пробеге электронами расстояния, меньшего длины стримера. Прогреваемая часть канала стримера составляет 54-15 см. В результа­ те, аналогично случаю положительного острия, скорость продвижения разогретого канала лидера имеет порядок скорости движения электро­ нов в стримере (0,84-2,0) ІО5 м/сек. Картина развития разряда имеет вид, изображенный на рис. 2.20. Образование каждого нового стри­ мера вызывает вспышку свечения во всем канале развивающегося лидера. Это свечение распространяется от места сопряжения со стри­ мером и возникает вследствие кратковременного протекания большого тока, связанного с развитием ионизационных процессов и перемеще­ нием электронов в образующийся канал стримера. Наиболее ярко^ светится вновь образующийся канал стримера, напряженность поля вдоль которого наибольшая.

Особенности формирования отрицательного лидера (разогревание значительной части каждого стримера) определяют толчкообразноеступенчатое его развитие по всей длине промежутка в отличие от по­ ложительного лидера (см. рис. 2.17). Поданным измерений параметров развития отрицательного лидера, в промежутке стержень— плоскость, длиной 3,1 м при импульсах коммутационных перенапряжений с дли­ ной фронта 3000 мксек среднее разрядное напряжение равно 2150 кв, а длина стримеров — 1 м. При этих данных согласно формуле (2.25) объемный заряд на 1 м длины лидера qo6= 0,42-10- '1к/м и Естр—7,6кв/слі. Эта величина -соответствует средней напряженности поля стрн-

46

Рис. 2.20. Стилизованная временная схема развития искрового канала с отрицательного стержня на плос­ кость (ступенчатый лидер)

тши отрицательно заряженного электрода определяют существенно ■более высокие пробивные напряжения при отрицательной полярности напряжения, чем при положительной.

§ 2.9. ВРЕМЯ РАЗВИТИЯ ПРОБОЯ И ПРЕДРАЗРЯДИОЕ ВРЕМЯ

Если апериодический импульс напряжения воздействует на длин­ ный промежуток с сильнонеоднородным полем, то разряд развивается следующим образом. При напряжении ниже коронного ионизационные процессы практически отсутствуют. При достижении коронного на­ пряжения начинается формирование объемного заряда, искажающего первоначальное поле промежутка, выравнивающего поле вблизи коронирующего электрода и расширяющего область повышенной напря­ женности поля. При дальнейшем повышении напряжения поле в ок­ рестностях электрода усиливается на столь значительном расстоянии, что возникает лидер. Промежуток времени от начала короны до мо­ мента возникновения лидера может быть назван временем накопления объемного заряда (to6). Развитие лидера вдоль промежутка определяет ■следующую составляющую времени развития пробоя /л. Заключи­ тельная стадия нейтрализации занимает самый короткий промежуток времени tH. Таким образом, полное время развития пробоя можно опре­ делить как сумму:

47

В практических условиях более целесообразно производить отсчет времени не от момента возникновения коронного разряда, а от момента начала фронта импульса (обычно некоторого условного, так как. оно' не вполне определенно). Промежуток времени от момента приложения импульса -до конца стадии нейтрализации называют предразрядиым временем (tv). Очевидно, что последнее несколько больше полного вре­ мени развития пробоя.

Впромежутках с равномерным полем при тон же форме воздейству­ ющего напряжения предразрядное время складывается из: 1) времени ожидания эффективного свободного электрона; 2) времени пробега начальной лавины электронов; 3) времени распространения стримера;

4)времени разогревания канала стримера. Последние две составляющиечрезвычайко малы; в ряде случаев первая составляющая оказывается преобладающей, причем под эффективным электроном понимается электрон, который может создать лавину достаточной длины для воз­ никновения самостоятельного разряда. Поэтому при анализе условий развития разряда в равномерном, а также и слабонеоднородном полях необходимо учитывать время ожидания эффективного электрона. Оно, как и другие составляющие предразрядного времени, зависит от ряда случайных обстоятельств. В связи с этим целесообразно ввести поня­ тие о среднем статистическом предразрядиом времени.

Вотносительно коротких промежутках с сильнонеоднородным полем стримеры пересекают весь промежуток, и пробой развивается так же, как и в промежутках с однородным полем, в результате про­ гревания канала стримера. Поэтому и предразрядное время склады­ вается из тех же составляющих, что и в случае однородного поля.

Среднее статистическое предразрядное время уменьшается при увеличении отношения напряжения на промежутке к 50%-ному разрядному напряжению, поскольку при этом эффективным становится большее число электронов. Однако это уменьшение не беспредельно: при некотором напряжении все электроны становятся эффективными.

При облучении промежутка среднее статистическое предразрядное время уменьшается из-за образования дополнительного числа фото­ электронов.

§2.10. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ ПРИ БОЛЬШОЙ ДЛИНЕ ПРОМЕЖУТКА. МОЛНИЯ

Условием нарушения электрической прочности длинных воздушных промежутков с сильнонеоднородным полем, согласно изложенному & § 2.7 и 2.8, является условие перехода от стримерной короны к ли­ деру, определяемое радиусом стримеров и зарядом электронов в них [см. формулу (2.24)]. При неизменном диаметре стримеров число элек­ тронов в них зависит только от их длины. Для образования же стри­ меров заданной длины необходимо накопление вблизи коронирующегоэлектрода определенной величины объемного заряда, искажающего поле вблизи электрода. При постоянстве диаметра стримеров разряд­ ные напряжения воздушных промежутков разной длины при неизмен­ ной конфигурации коронирующего электрода будут соответствовать

48

образованию одного и того же объемного заряда и одинаковой картине поля вблизи электрода.

В качестве примера рассмотрим условия развития искрового раз­ ряда в промежутке стержень — плоскость разной длины. Согласно рис. 2.21 приращение напряжения на промежутке (заштрихованная площадь), обеспечивающее необходимое искажение поля вблизи элек­ трода, не пропорционально длине промежутка. Причем чем больше длина промежутка, тем меньше приращение напряжения, поскольку удлиняется область все более слабого поля. В результате при увели­ чении длины разрядного промежутка с заданной конфигурацией элек­

тродов средняя разрядная напряженностьЕѵ=1!р/5 монотонно умень­

В области заряженных элементов облака напряженность поля до­ статочно высока для возникновения самостоятельного разряда. Длина образующегося в таких условиях стримера может быть очень большой. Действительно, предельная длина стримера может быть оценена исходя из полного напряжения (около 50 Мз) и средней напряженности поля вдоль канала стримера (около 10 кв/см):

/стр< 50103/Ю00=50 м.

По данным наблюдений, наиболее часто длина стримеров наблюдается в пределах 10—50 м. То, что природа этой начальной фазы канала мол­ нии соответствует стримерному процессу в лабораторных промежутках, подтверждается измеренными величинами скоростей развития канала (1-4-5) ІО7 м/сек.

Измерения токов молнии показали, что большинство (от 60 до100% для различных районов) грозовых разрядов на землю происхо­ дит от отрицательно заряженных элементов облака. Поэтому и боль­ шинство результатов оптических исследований молнии относится к таким разрядам. При этом обнаруживается полное соответствие ме­ ханизмов грозового разряда в гигантском промежутке между обла­ ками и землей и между острием и плоскостью.

В соответствии с изложенным в § 2.7 и 2.8 дальнейшее развитие искрового канала после образования стримера зависит от процесса его разогревания в результате перемещения вдоль него электронов. По данным-Шонланда, максимальная длительность паузы между по­

4»