Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах

перенапряжениях на искровом промежутке и в данном случае наблюдался резкий спад напряжения.

4.5. Длинная искра, разряд в виде молнии

Длинной искрой называется разряд (искровой) в газовом промежутке с большим межэлектродным расстоянием (0.5÷1) м и более. Изучение механизма длинной искры представляет существенный практический интерес в связи с развитием и эксплуатацией линий электропередачи высокого напряжения. Кроме того, длинная искра рассматрива-

ется как модель молнии. В длинной искре средний разрядный градиент падает до 3÷5 кВ/см, тогда как в промежутках до 10 см он составляет 7.5÷20 кВ/см [3,5]. Наличие малого разрядного градиента приводит к тому, что канал стримера содержит малое количество носителей заряда, и после достижения им второго электрода полного пробоя не происходит. Это обстоятельство обусловливает специфические особенности длинной искры. Весьма существенный вклад в исследование длинной искры и объяснение ее механизма внесли советские ученые И.С. Стекольников и В.С. Комельков [5].

При подаче на промежуток напряжения, достаточного для развития стримера, развивается большое количество стримеров от одного электрода к другому. На фотографии, полученной с помощью кварцевого объектива, эта стадия разряда, названная импульсной короной, смотрится как паутина, состоящая из большого количества ниточек – каналов стримеров, идущих от одного электрода к другому. В каждом канале стримеров разрядный ток невелик, и после полного развития стримера главный разряд не следует. Но вследствие большого количества стримеров общий разрядный ток достигает сотен ампер.

Около электрода с большой кривизной плотность тока становится настолько значительной, что газ прогревается и вступает в действие термоионизация. При этом степень ионизации в этой части разряда резко увеличивается, возрастают электропроводность и свечение.

В.С. Комельков показал, что продольные градиенты и плотности тока в канале лидера примерно такие же, как и в канале дуги, что и подтверждает правильность предположения о термоионизации, как основном процессе, ведущем к увеличению проводимости лидера. В ре-

67

Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах

зультате термоионизации часть воздушного промежутка, непосредственно прилегающая к электроду-острию, превращается в отрезок проводящей плазмы. Теперь уже с этого отрезка плазмы развивается импульсная корона, обеспечивающая образование нового отрезка плазмы, и процесс повторяется (рис. 4.9).

Продвигающийся от электрода с большой кривизной канал высокопроводящей плазмы получил название лидера. На отдельных ступенях возможно параллельное развитие ветвей лидера (рис. 4.9). Та ветвь, которая быстрее развивается, остается ярко светящейся, а та ветвь, которая медленно развивается, вскоре угасает вследствие малого протекающего через канал разрядного тока. После касания лидером второго электрода или после встречи лидеров, идущих от обоих электродов (например, в случае электродов острие–острие), наступает главный разряд. Измерения с помощью вращающейся камеры и электроннооптического преобразователя показали, что средняя скорость развития лидера может составлять 106 ÷ 107 см/с, а главного разряда – порядка 109 см/с и более. Скорость лидера можно уменьшить, если необходимо изучить отдельные детали его развития путем введения в разрядную цепь так называемого «тормозного» сопротивления. Наличие тормозного сопротивления уменьшает ток в импульсной короне, и тем самым затягивается процесс переработки участка импульсной короны в отрезок лидера.

Исследования длинной искры показали, что примерно на первом метре лидер продвигается ступенями, что объясняется необходимостью создания на головке лидера напряженности поля, необходимой для развития импульсной короны. После прохождения лидером пути примерно в 1 м в дальнейшем наблюдается его плавное развитие. На осциллограмме тока лидерная стадия фиксируется как сравнительно слабое нарастание тока, а стадия главного разряда – резким увеличением тока. С увеличением величины тормозного сопротивления уменьшается ток в обеих стадиях и быстрее в стадии главного разряда. Ток лидера вызывает слабую посадку напряжения на искровом промежутке за счет падения напряжения на тормозном сопротивлении и других импедансах разрядной цепи. В стадии главного разряда напряжение на искровом промежутке падает практически до нулевого значения.

В природном явлении молнии, как и в длинной искре, так же различают лидерную стадию и стадию главного разряда. Однако вследствие особенностей одного из электродов – грозового облака, обе стадии разряда молнии приобретают специфические отличия. Основными особенностями грозового облака как электрода являются такие, как малая подвижность носителей заряда вследствие массивной капли, конденси-

68

Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах

рующейся на ионе; возможность образования в грозовом облаке нескольких очагов сосредоточения объемного заряда.

К особенностям разряда в виде молнии относится многократность разряда, заключающаяся в том, что по одному каналу происходит несколько разрядов. Число разрядов может доходить до 40, переносимый заряд – до 100 кулон, общая продолжительность одной молнии до 1,5 с.

Основными стадиями разряда в виде молнии являются также лидерная и стадия главного разряда. О стадиях, предшествующих лидеру, имеются некоторые предположения, но данные наблюдений по этим стадиям отсутствуют. Характерно, что лидер первого разряда движется

ступенями (длина ступени ~50 м) со скоростью 109 см/с. Между ступенями в развитии лидера наблюдаются временные задержки, так что

средняя скорость развития первого лидера составляет 2 107 см/с. Лидеры последующих разрядов развиваются непрерывно. Характерно также, что главный разряд молнии, возникшей между грозовым облаком и наземными предметами, всегда распространяется от последних к грозовому облаку. Скорость распространения главного разряда весьма велика и составляет 2 109 ÷1.5 1010 см/с.

Ясно выраженная ступенчатость развития первого лидера может быть объяснена медленным поступлением малоподвижных зарядов грозового облака в канал лидера. После развития ступени лидера напряженность в головке лидера, вероятно, падает до такой величины, что ионизационные процессы прекращаются. После подтягивания зарядов к головке лидера напряженность поля возрастает, и создаются условия для развития следующей ступени лидера.

Направление главного разряда от земли также, вероятно, связано с малой подвижностью зарядов в грозовом облаке. После развития лидера, допустим, от высокого наземного предмета к грозовому облаку не происходит бурного ионизационного процесса, характерного для главного разряда. Видимо, заряды грозового облака постепенно стекают в канал лидера, изменяют полярность избыточного заряда. Когда избыточный заряд приблизится к наземному предмету, произойдет главный разряд.

Многократность молнии объясняется наличием в грозовом облаке нескольких очагов сосредоточения объемного заряда. Вначале происходит разряд какого-либо из очагов объемного заряда на землю. После ликвидации объемного заряда в этом очаге может произойти разряд от следующего очага к первому и далее на землю уже через ионизованный канал первого разряда. Далее этот процесс может повторяться несколько раз, пока близлежащие к первому очагу другие сосредоточения объемного заряда не исчерпают себя.

69

Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах

Главный разряд молнии по длительности занимает несколько мкс. При этом стекает заряд 0,5÷1 К. Затем следует сравнительно длительный электрический ток (несколько десятков мкс) за счет стекания остаточного заряда очага сосредоточения заряда. Заряд, стекаемый на землю, при однократной молнии составляет 5÷6 К. Ток молнии достигает максимального значения в стадии главного разряда и может доходить до 220 кА. Волновое сопротивление распределенных предметов, находящихся в воздухе, составляет сотни Ом. При ударе молнии в такие предметы (особенно часто в провода линий передач) перенапряжение достигает миллионов и десятков миллионов вольт. Протекающий ток молнии может вызвать значительные разрушения и поражения людей. Основным средством защиты от удара молнии является молниеотвод с хорошим заземлением, предложенный впервые независимо Франклином в Америке и М.В. Ломоносовым в России.

Рис. 4.10. Схематическое изображение развития главного разряда

4.6. Главный разряд

Главный разряд является завершающей стадией в развитии разряда. За главным разрядом следует стационарный разряд, обычно дуговой. Схематическое изображение развития главного разряда показано на рис. 4.10. Электрические процессы, происходящие в стадии главного разряда, представляются следующими [5].

Когда канал мощного стримера или лидера (в случае короткого искрового промежутка) подходит достаточно близко к плоскому электроду, в непробитом пространстве создается поле с большой напряженностью, в результате чего происходят мощные ионизационные процессы (рис. 4.10, а).

Через образовавшийся участок плазмы электроны движутся вверх (в случае примера, приведенного на рис. 4.10) и компенсируют избыточный положительный заряд, имеющийся в головке стримера (лидера) и вокруг лидера. Эта часть пространства принимает потенциал, близ-

70

Часть I. Глава 4. Искровой разряд в газах

кий к потенциалу плоского электрода. При этом электроны из канала стримера (лидера) быстро поднимаются вверх, оголяя положительный объемный заряд. Вновь создается область сильного электрического поля, в которой развиваются мощные ионизационные процессы (рис. 4.10, 6), и так далее. Таким образом, главный разряд характеризуется продвижением вдоль канала стримера (лидера) области сильного электрического поля, в которой происходят мощные ионизационные процессы. По высокоионизированному каналу разряда протекает большой ток от источника высокого напряжения, вызывая его разогрев. В результате разогрева канала может действовать ряд вторичных процессов, обусловливающих дальнейшее расширение канала разряда и увеличение его электропроводности.

Представляется, что наиболее существенную роль в расширении канала разряда играют ударные волны. В результате выделения значительной энергии в узком канале разряда здесь резко возрастают температура и давление газа, что вызывает появление ударной цилиндрической волны. Такая волна, зафиксированная методом Таплера–Шлирена, распространяется со скоростью 1÷3 км/с. Вслед за ударной волной происходит расширение газа канала разряда. При этом и заряженные частицы также выходят за пределы прежнего канала разряда. После этого разрядный ток протекает по все более расширяющемуся каналу разряда и следуют новые ударные волны. Расширение канала разряда заканчивается, когда значительно упадет мощность ударных волн. Эта стадия разряда имеет прикладное значение в нескольких аспектах. Стадия главного разряда определяет максимальный ток молнии и максимальное перенапряжение, возникающие на поражаемых объектах и, в частности, на проводах линий электропередачи.

В стадии главного разряда напряжение на искровом промежутке падает практически до нулевого значения. Если искровой промежуток включен последовательно с передающей линией (например, высокочастотным кабелем), то в последней после пробоя промежутка возникает импульс высокого напряжения с длительностью фронта, определяемой стадией главного разряда и расширением канала разряда. Путем повышения давления газа или создания перенапряжения на искровом промежутке удается уменьшить длительность фронта импульса до наносекунд и долей наносекунды.

71