- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Часть I. ПРОБОЙ ГАЗОВ
- •Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде
- •1.1. Законы сохранения энергии при столкновении атомных частиц
- •1.2. Интегральные характеристики столкновения
- •1.3. Энергия взаимодействия атомных частиц
- •1.4. Подвижность заряженных частиц
- •1.5. Диффузия заряженных частиц
- •1.6. Возбуждение и ионизация атомов и молекул
- •1.7. Термическая ионизация
- •1.8. О возможности ионизации газа ионами
- •1.9. Рекомбинация заряженных частиц
- •1.10. Термоэлектронная, автоэлектронная, взрывная эмиссия. Фотоэффект на катоде
- •1.11. Элементы кинетического уравнения для электронов
- •Глава 2. Теория пробоя Таунсенда
- •2.1. Первый коэффициент Таунсенда
- •2.2. Прилипание электронов к атомам и молекулам. Отрыв электронов от отрицательных ионов
- •2.3. Второй коэффициент Таунсенда
- •2.4. Электронная лавина
- •2.5. Условие самостоятельности разряда. Закон Пашена
- •2.6. Отступления от закона Пашена
- •2.7. Время разряда
- •Глава 3. Пробой газа в различных частотных диапазонах
- •3.1. СВЧ-пробой
- •3.2. ВЧ-пробой
- •3.3. Оптический пробой
- •Глава 4. Искровой разряд в газах
- •4.1. Наблюдения за развитием разряда в ионизационной камере
- •4.2. Схемы развития лавинно-стримерных процессов
- •4.3. Граница таунсендовского и стримерного разрядов
- •4.4. Пробой газов в наносекундном диапазоне времени
- •4.5. Длинная искра, разряд в виде молнии
- •4.6. Главный разряд
- •Глава 5. Самостоятельные разряды в газах
- •5.1. Тихий разряд
- •5.2. Тлеющий разряд
- •5.3. Дуговой разряд
- •5.4. Коронный разряд
- •5.5. Разряд по поверхности твердого диэлектрика
- •5.6. Зависимость пробивного напряжения газа от межэлектродного расстояния
- •Список литературы к разделу «Пробой газов»
- •Часть II. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •Глава 1. Тепловой пробой твердых диэлектриков
- •1.1. Теория теплового пробоя Вагнера
- •1.2. Другие теории теплового пробоя
- •Глава. 2. Классические теории электрического пробоя
- •2.1. Теория Роговского. Разрыв ионной кристаллической решетки
- •2.2. Разрыв твердого диэлектрика по микротрещине. Теория Горовица
- •2.3. Теория А. Ф. Иоффе
- •2.4. Теория А.А. Смурова. Теория электростатической ионизации
- •Глава 3. Квантово-механические теории электрического пробоя неударным механизмом
- •3.1. Теория Зинера. Теория безэлектродного пробоя
- •3.2. Теория Фаулера. Пробой электродного происхождения
- •3.3. Теория Я.И. Френкеля. Теория термической ионизации
- •Глава 4. Теории пробоя твердых диэлектриков вследствие ударной ионизации электронами
- •4.1. Теории Хиппеля и Фрелиха
- •4.2. Теории пробоя, основанные на решении кинетического уравнения. Теория Чуенкова
- •4.3. Некоторые замечания по теориям пробоя, основанных на рассмотрении механизма ударной ионизации электронами
- •Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами
- •5.1. Стадии пробоя твердых диэлектриков
- •5.2. Развитие разряда в однородном и неоднородном полях в твердых диэлектриках
- •5.3. Эффект полярности при пробое в неоднородном электрическом поле
- •5.4. Влияние материала электродов на пробой твердых диэлектриков
- •5.5. Зависимость времени разряда от толщины диэлектрика. Формирование многолавинно-стримерного механизма разряда
- •Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей
- •6.1. Электрическое упрочнение
- •6.2. Электронные токи в микронных слоях ЩГК в сильных электрических полях
- •6.3. Свечение в микронных слоях ЩГК
- •6.4. Дислокации и трещины в ЩГК перед пробоем
- •Глава 7. Другие теории пробоя твердых диэлектриков
- •7.2. Энергетический анализ электрической прочности твердых диэлектриков по теории Ю.Н. Вершинина
- •7.4. Термофлуктуационная теория разрушения твердых диэлектриков электрическим полем В.С. Дмитревского
- •7.5. Особенности пробоя полимерных диэлектриков. Теория электрического пробоя Артбауэра
- •7.6. Теория электромеханического пробоя Старка и Гартона
- •Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков
- •8.1. Статистический характер пробоя твердых диэлектриков
- •8.2. Минимальное пробивное напряжение
- •8.3. Неполный пробой и последовательный пробой
- •8.4. Кристаллографические эффекты при пробое кристаллов
- •8.5. Зависимость электрической прочности от температуры
- •8.6. Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения
- •8.7. Пробой диэлектрических пленок
- •8.8. Формованные системы металл–диэлектрик–металл (МДМ)
- •8.9. Заключение по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков
- •Глава 9. Электрохимический пробой
- •9.1. Электрическое старение органической изоляции
- •9.2. Кратковременное пробивное напряжение
- •9.3. Старение бумажной изоляции
- •9.4. Старение неорганических диэлектриков
- •Список литературы к разделу «Пробой твердых диэлектриков»
- •Часть III. ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
- •Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки
- •1.1. Проводимость жидких диэлектриков
- •1.2. Пробой жидкостей вследствие ударной ионизации электронами
- •1.3. Пробой жидкостей неударным механизмом
- •Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки
- •2.1. Влияние влаги
- •2.2. Влияние механических загрязнений
- •2.3. Влияние газовых пузырьков
- •2.4. Теории теплового пробоя жидких диэлектриков
- •2.5. Вольтолизационная теория пробоя жидких диэлектриков
- •2.6. Влияние формы и размеров электродов, их материала, состояния поверхности и расстояния между ними на пробой жидкостей
- •2.7. Развитие разряда и импульсный пробой в жидкостях
- •2.8. Влияние ультразвука на электрическую прочность
- •2.9. Внедрение разряда в твердый диэлектрик, погруженный в изолирующую жидкость
- •Список литературы к разделу «Пробой жидких диэлектриков»
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
Глава 4. Искровой разряд в газах
Явление искрового разряда известно человеку очень давно. Это разряд молнии, которая может простираться на несколько километров, «огни святого Эльса», которые возникали на остриях корабельных мачт после бури и многие др. Очень часто искровые разряды связаны со статическим электричеством, образующимся в результате трения двух изолирующих тел, например при расчесывании сухих волос, поглаживании шерсти кошек и т.д. Во многих случаях образование искровых разрядов за счет статического электричества очень опасно, например при перевозке горючего в цистернах, на мукомольных, химических и деревообрабатывающих предприятиях и др. В таких случаях приходится принимать специальные меры против возникновения статического электричества для устранения возможности взрыва или пожара.
Изучением искрового разряда ученые занимались еще в начале ХХ столетия. При атмосферном давлении газа и расстоянии порядка 1 см искровые разряды впервые наблюдал Г. Ретер [6] в камере Вильсона. Впоследствии для изучения искрового разряда использовались и другие способы: по импульсу тока, сопровождающему движение электронной лавины; по свечению, связанному с девозбуждением возбужденных молекул в электронной лавине; с помощью электроннооптического преобразователя и др. Для изучения так называемой длинной искры, к которой относится и молния, используются фотографические и осциллографические методы. При изучении искрового разряда в коротких промежутках (порядка 1 см) при атмосферном давлении наиболее наглядным методом является использование ионизационной камеры Вильсона.
4.1. Наблюдения за развитием разряда в ионизационной камере
На рис. 4.1 схематически показано устройство ионизационной камеры, использованной для исследования развития газового разряда.
Чувствительность метода составляет 103 заряженных частиц в единицу времени. При разряде искрового промежутка 4 образующееся ультрафиолетовое излучение через кварцевое стекло 3 попадает на сетчатый катод 5 и вызывает появление первичных электронов за счет фотоэффекта. К электродам камеры 1 прикладывается прямоугольный импульс напряжения малой длительности, с тем чтобы оборвать развитие разряда в определенный момент. В газ, пробой которого исследуется, добавляют пары (обычно пары этилового спирта и воды), которые конденсируются на ионах в процессе разряда. Конденсация осу-
57
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
|
ществляется благодаря тому, что при |
|||||
|
расширении объема камеры за счет |
|||||
|
оттягивания диафрагмы 7 поршнем 6 |
|||||
|
понижается давление газа. Чем |
|||||
|
сильнее расширение, тем больше |
|||||
|
конденсируется паров, тем более чув- |
|||||
|
ствителен метод. |
|
|
|||
|
«Проявление» |
развивающихся |
||||
Рис. 4.1. Схематическое уст- |
ионизационных |
процессов |
осуще- |
|||
ствляется за счет того, что по пути |
||||||
ройство ионизационной ка- |
движения |
электронов |
остаются по- |
|||
меры: |
ложительные ионы, на которых |
|||||
1 – электроды; 2 – стеклянный |
||||||
конденсируются пары, |
и путь движе- |
|||||
цилиндр; 3 – кварцевое стек- |
ния |
электронов |
становится |
|||
ло; 4 – вспомогательный ис- |
||||||
кровой промежуток; 5 – сет- |
«видимым». |
Фотографирование |
||||
чатый катод; 6 – поршень; 7 |
образовавшихся |
|
туманных |
|||
– диафрагма |
образований |
производится |
через |
стеклянную стенку 2. Таким образом были зафиксированы электрон-
|
ные лавины, подсчитаны скорости их |
||||
|
распространения, |
зная |
длительность |
||
|
импульса, |
определены |
коэффициенты |
||
|
диффузии |
по измерениям |
радиуса |
||
|
головки лавины. |
|
|
|
|
Рис. 4.2. Фотография элек- |
На |
рис. |
4.2 |
представлена |
|
тронной лавины, получен- |
фотография электронной лавины. Ско- |
||||
ная с помощью ионизацион- |
рость электрон-ной лавины в воздухе |
||||
ной камеры |
при нормальном |
давлении |
и при |
Е = 3 106 В/м имеет порядок 105 м/с. При увеличении дли-тельности
|
импульса |
|
или |
его |
|
|
амплитуды |
|
|
были |
|
|
обнаружены |
|
новые |
||
|
ионизационные |
||||
|
образования, |
||||
|
занимающие |
большой |
|||
|
объем |
|
|
и |
|
|
распространяющиеся с |
||||
|
большой скоростью. |
||||
Рис. 4.3. Фотографии развития ионизационных |
На |
рис. |
4.3, |
||
показано |
|
развитие |
|||
процессов, полученные с помощью ионизаци- |
ионизационных |
||||
онной камеры по мере роста напряженности |
|||||
процессов, |
начиная от |
||||
электрического поля |
лавины (рис. 4.3, а) до
58
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
больших ионизационных образований (рис. 4.3, д), заполняющих значительный объем между электродами.
При невысоких на-пряженностях поля по мере увеличения напряжения вначале появляет-ся положительный стри-мер. При дальнейшем увеличении напряжения, когда электронная лави-на еще не достигла анода, наблюдается раз-витие отрицательных стримеров. Такой же эффект наблюдается, если напряжение оставлять неизменным, а увеличивать длительность импульса. Рис. 4.3, д соответствует перекрытию межэлектродного промежутка плазменным шнуром стримера. После этого наступает стадия главного разряда.
Казалось бы, что головка лавины должна иметь клиновидный вид. Но два фактора сглаживают головку электронной лавины. Во-первых, действует диффузия электронов в поперечном направлении. При этом
радиус головки лавины r = 2Dt , где D – коэффициент диффузии,
t = x / υ – время движения лавины, υ =105 м/с – скорость движения электронов.
Во-вторых, при αx 20 концентрация электронов в самом начале лавины такова, что действуют силы расталкивания, пока концентрации электронов и ионов в головке лавины не выровняются. Плотность зарядов в канале стримера 1012 ÷1015 см-3.
Стример, развивающийся в сторону катода, был назван положительным. Скорость его распространения в воздухе составляет
(1÷2) 108 м/с. Стример, продолжающий развиваться по направлению электронной лавины, был назван отрицательным, и скорость его рас-
пространения в воздухе составила (7÷8) 105 м/с.
После распространения стримеров на весь межэлектродный промежуток происходил его полный пробой. Отсюда такой процесс формирования разряда был назван лавинно-стримерным. Очевидно, что время формирования лавинно-стримерного разряда определяется вре-
менем движения электронной лавины и при d=1 см составляет 10−7 с, что согласуется с измерениями Роговского. Размеры электронных лавин, скорости их движения, условия зарождения стримеров впоследствии были уточнены путем измерения тока, создаваемого электронными лавинами, и оптическими измерениями с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).
4.2. Схемы развития лавинно-стримерных процессов
Результаты, исследования лавинно-стримерных процессов с помощью ионизационной камеры дают основание считать, что основными факторами, определяющими зарождение и развитие стримеров, яв-
59
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
ляются электрическое поле, создаваемое зарядами электронной лавины, и электроны, появляющиеся в результате фотоионизации, – фотоэлектроны [7,11]. Анализ распределения электрического поля в межэлектродном промежутке при наличии электронной лавины показывает, что наибольшее усиление электрического поля имеется на фронте электронной лавины. При пороговом напряжении, необходимом для заро-
Рис. 4.4. Схема развития положительного стримера:
1 – электронная лавина; 2 – оставленный лавиной объемный заряд; 3 – фотоэлектроны; 4 – проводящая плазма
ждения стримера, электронная лавина создает достаточно сильное электрическое поле, когда она достигает анода. При этом электроны уходят в анод, оставляя вблизи его поверхности положительные ионы. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, и фотоэлектроны определяют развитие положительного стримера, что иллюстрирует рис. 4.4.
Момент времени t1 соответствует движению электронной лавины
от катода к аноду и оставлению вблизи его поверхности положительных ионов. Объемный положительный заряд создает электрическое поле с напряженностью E1.
Если напряженность поля E1 по порядку величины сравнима с Ecp =Ud , то возникшие при развитии первичной электронной лавины фотоэлектроны (3) будут ускоряться по направлению к объемному заряду, образуя по пути мощные лавины, так что ∫αdx = 20 (интеграл
вводится потому, что развитие электронной лавины происходит в неоднородном электрическом поле). Электроны лавин, попав в область объемного заряда, тормозятся, образуя вместе с положительными ионами проводящую плазму. На фронте этой плазмы находится положительный объемный заряд, оставленный электронами лавины, и на некотором расстоянии вновь возникшие фотоэлектроны (момент t3).
60
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
Далее повторяется процесс движения электронных лавин к объемному заряду с образованием проводящей плазмы, и так положительный стример распространяется к катоду, образуя между электродами мостик проводящей плазмы (момент t4 ), по которому затем следует глав-
ный разряд. Это будет рассматриваться ниже. При больших перенапряжениях на искровом промежутке условие зарождения стримера (αx = 20 ) начинает соблюдаться, когда лавина еще не достигла анода
( x < d ).
Поскольку напряженность поля больше на фронте лавины, то начинает развиваться отрицательный стример от головки лавины в сторону анода. Схема развития отрицательного стримера иллюстрируется на рис. 4.5. Возникший перед фронтом лавины фотоэлектрон находится в усиленном электрическом поле и быстро образует электронную
лавину, для которой ∫αdx = 20.
Образовавшийся впереди этой лавины фотоэлектрон вновь образует мощную электронную лавину и т.д. Электроны лавин входят в область положительного объемного заряда, оставленного последующими лавинами, и таким образом образуется проводящий плазменный столб отрицательного стримера. После этого напряженность поля на основа-
нии отрицательного стримера повышается, и начинает развиваться положительный стример. Когда он достигнет катода, то весь искровой промежуток оказывается перекрытым плазменным шнуром, по которому следует главный разряд.
Условие возникновения и распространения как положительного, так и отрицательного стримеров записывается в виде
E1 = kEcp , |
(4.1) |
где коэффициент k |
колеблется в широких пределах ( k = 0.1÷1). |
Смысл этого условия сводится к тому, что напряженность поля должна быть по величине сравнима с напряженностью основного поля.
Из описанного ясно, что с увеличением приложенного к электродам напряжения точка зарождения стримеров должна все дальше отходить от анода. Типичными примерами сильно неоднородного электрического поля являются электрические поля между электродами остриеплоскость и острие-острие.
61
Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах
Условия пробоя газовой изоляции в ряде практических случаев близки к условиям пробоя в указанных полях. Так, если радиус цилиндра много меньше межэлектродного расстояния (например, провода линии электропередачи), то условия пробоя между двумя цилиндрами близки к условиям пробоя между двумя остриями, а условия пробоя между цилиндром и плоскостью близки к условиям пробоя между электродами острие и плоскость.
Чаще всего исследуется пробой газов между электродами острие и плоскость. Напряженность поля резко падает по мере удаления от острия (рис. 4.6). Поэтому ионизационные процессы начинаются у элек- трода-острия, но развиваются различно в зависимости от полярности острия. Отметим прежде всего влияние положительного объемного заряда, образующегося вблизи острия в результате ударной ионизации.
|
|
При |
положительной |
по- |
||||
|
|
лярности острия (рис. 4.6, а) |
||||||
|
|
положительный |
|
объемный |
||||
|
|
заряд |
усиливает |
поле |
по |
|||
|
|
направлению ко второму элек- |
||||||
|
|
троду (кривая 2) и тем самым |
||||||
|
|
способствует разряду. |
|
|||||
|
|
При отрицательной поляр- |
||||||
|
|
ности острия (рис. 4.6, б) |
||||||
|
|
положительный |
|
объемный |
||||
Рис. 4.6. Схема развития разряда и |
заряд, |
наоборот, |
вызывает |
|||||
распределение напряженности поля в |
ослабление |
электрического |
||||||
промежутке острие – плоскость (а – |
поля |
по |
направлению |
ко |
||||
при (+) острие; б – при (–) острие): |
второму электроду (кривая 2) и |
|||||||
1. |
без объемного заряда; |
|||||||
тем |
самым |
препятствует |
||||||
2. |
с объемным зарядом |
|||||||
|
|
дальней-шему |
|
развитию |
разряда.
Только из этого сопоставления влияния положительного объемного заряда при положительной и отрицательной полярности острия следует, что при положительной полярности острия пробивное напряжение должно быть ниже, чем при отрицательной полярности острия, что подтверждает и эксперимент.
Схема развития разряда с положительного острия аналогична схеме распространения положительного стримера в однородном поле. Однако разряд с острия развивается в быстро спадающем поле. Поэтому для развития разряда необходимо, чтобы проводящий канал стримера вызывал необходимое усиление поля. Если это условие нарушится после прохождения стримером некоторого пути, то развитие разряда прекратится. Это имеет место при коронном разряде.
62