Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

вырывается через отверстие в электроде. При переходе тока через нуль дуга гаснет.

5.4. Коронный разряд

Коронным разрядом называется разряд, локализованный около электрода с большой кривизной. Разряд в темноте светится, и это свечение в виде короны охватывает электрод. Отсюда и происходит название рассматриваемого разряда. Ясно, что коронный разряд, называемый часто для простоты короной, не приводит к нарушению электрической прочности всего промежутка. Напряжение, при котором появляется корона, называется начальным или критическим, или напряжением короны. Оно меньше напряжения полного пробоя [5, 6].

Коронный разряд может носить самостоятельный и несамостоятельный характер. Несамостоятельный коронный разряд появляется в случае воздействия космических лучей и радиоактивного излучения земли. Ток короны может достигать величины 10-10А. При повышении напряжения происходит самостоятельный разряд, и ток достигает значения 10-6А. При дальнейшем повышении напряжения, в конце концов, наступает полный пробой искрового промежутка.

Различают униполярную корону, когда коронирует один электрод, и биполярную корону, когда коронируют оба электрода.

Процессы в униполярной короне существенно чувствительны к полярности коронирующего электрода. При отри-цательной полярности коронирующего электрода процессы существенно различны в инертных газах и электроотрицательных газах. Самостоятельные разряды в электро-отрицательных газах отличаются опреде-ленной перио-

78

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

Напряжение коронирования и потери энергии на корону зависят от погоды (изморозь, дождь и др.), как это видно из рис. 5.5.

Если в твердой изоляции имеются газовые поры, то в них может зажечься разряд сходный с коронным. Этот разряд вызывает так называемые ионизационные потери энергии и ухудшает свойства изоляции, особенно органической. Если в область коронного разряда попадают пылинки или мелкие капли жидкости, то они, захватывая заряженные частицы, имеющиеся в короне, приобретают способность двигаться под действием приложенного напряжения. На этом принципе основаны такие технологические процессы и устройства, как электрофильтрация, электроокраска и др.

5.4.1. Униполярная корона

Процессы в униполярной короне определяются полярностью коронирующего электрода. При коронировании отрицательного острия в электроотрицательных газах наблюдается правильная периодичность тока, показанная на рис. 5.6, а. Интересно отметить, что с увеличением напряжения амплитуда тока не изменяется, но частота следования пиков возрастает. Тот факт, что правильная регулярность тока отрицательной короны наблюдается только в электроотрицательных газах, говорит о существенной роли в разрядных процессах объемного заряда отрицательных ионов, образовавшихся в результате прилипания к молекулам электронов. Картина разряда представляется следующей. В результате ударной ионизации около острия образуется положительный объемный заряд, дрейфующий к острию. Электроны, образовавшиеся вдали от острия, где напряженность поля сравнительно невелика, захватываются молекулами газа. Когда основная часть положительных ионов, рекомбинирует на отрицательном острие, отрицательный

уменьшается экранирующее влияние отрицательного объемного заряда. При этом усиливается ударная ионизация, образуется положительный объемный заряд, в результате чего напряженность падает и ско-

79

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

рость движения отрицательных ионов падает. Это соответствует уменьшению тока. После рекомбинации положительных ионов на острие вновь наблюдается всплеск тока и т.д.

На рис. 5.6, б показаны области свечения около отрицательного острия. Область 1 – катодное пятно, свечение связано с рекомбинацией выбитых из катода электронов с подходящими положительными ионами. Область 2 – область ударной ионизации и положительного объемного заряда. Эта область очень слабо светится. Свечение в области 3 связано с прилипанием электронов к молекулам или пылинкам. При повышении напряжения возникает несколько катодных пятен, и правильная регулярность тока исчезает. Процессы коронирования с положительного острия в некоторой степени иллюстрируются вольт-амперной характеристикой, показанной на рис. 5.7.

результате ионизационных процессов, дрейфует по направлению ко второму электроду.

Таким образом, для униполярной короны характерно наличие ионизационных процессов около электрода с большой кривизной и движение ко второму электроду зарядов со знаком, совпадающим с полярностью коронирующего электрода.

5.4.2. Биполярная корона

В случае биполярной короны интенсивность коронирования может возрасти за счет проникновения в область разряда зарядов, подошедших от второго коронирующего электрода. Эти заряды усиливают напряженность поля на коронирующем электроде, вследствие чего увеличивается ток короны. Это наблюдается на постоянном напряжении.

Иное положение может иметь место на переменном напряжении. Так, в случае линий электропередач оказывается, что путь, пройденный

80

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

ионами за полпериода от коронирующего электрода, значительно меньше расстояния между проводами. Это означает, что взаимное проникновение ионов в область коронирования отсутствует. В следующий полупериод, когда сменится полярность провода, отошедшие, было, ионы начинают возвращаться к проводу, усиливая напряженность поля на его поверхности. В результате этого коронирование начинается при напряжении, которое меньше напряжения коронирования в случае отсутствия указанных зарядов, и ток короны возрастает.

Следует отметить, что в электро- и радиоустановках коронирование может усилиться за счет шероховатости проводов, а также капелек воды, оседающих на проводниках.

5.5. Разряд по поверхности твердого диэлектрика

Разряд в газе по поверхности твердого диэлектрика, называемый часто поверхностным разрядом, представляет практический интерес, так как очень часто изоляционные конструкции окружены газом и чаще всего воздухом. Пробой по поверхности твердого диэлектрика называется перекрытием. Напряжение перекрытия может существенно отличаться от напряжения пробоя газа между электродами, когда твердый диэлектрик отсутствует. Рассмотрим некоторые особенности процесса перекрытия в однородном и неоднородном электрическом поле.

5.5.1. Перекрытие в однородном электрическом поле

Напряжение перекрытия будет близко к напряжению пробоя только в том случае, если поверхности твердого диэлектрика, обращенные к электродам, будут плотно к ним прилегать. При влажности воздуха до 50% напряжение перекрытия снижается и имеет значительный разброс (рис. 5.8).

При такой влажности оседающие на твердый диэлектрик капельки влаги образуют сплошную водяную пленку в случае смачиваемой поверхности. В

случае несмачиваемой поверхности сплошная пленка образуется за счет вытягивания капелек под действием приложенного напряжения.

Однако вблизи электродов пленка разрывается за счет оттягивания капелек воды к электродам. Протекающий по водяной пленке электрический ток создает при этом неравномерное падение напряжения. При этом градиенты выше вблизи электродов, где сопротивление

81

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

больше. Поэтому перекрытие происходит в условиях неоднородного поля, при этом разрядное напряжение снижается и наблюдается большой разброс его величин.

5.5.2. Перекрытие в неоднородном электрическом поле

Различают два случая: неоднородное поле с малой составляющей поля, нормальной к поверхности твердого диэлектрика (рис. 5.9, а), и неоднородное поле с большой нормальной составляющей (рис. 5.9, б).

Изоляционной конструкцией, соответствующей первому случаю, является опорный изолятор. Напряжение перекрытия также зависит от влажности, как и в случае однородного поля. Однако влияние влаги в этом случае слабее, чем в однородном поле. Изоляционной конструкцией, соответствующей второму случаю, является проходной изолятор.

Распределение переменного напряжения между электродами крайне неравномерно, что связано с наличием поверхностных емкостей, т.е. емкостей между верхней поверхностью диэлектрика и нижним электродом.

амплитуды приложенного напряжения.

При некотором напряжении начинается коронирование у верхнего (левого, на рис. 5.9, б) электрода. При дальнейшем повышении напряжения от указанного электрода распространяются электрические разряды в виде ярко светящихся нитей, не достигающих второго электрода. Этот вид разряда получил название скользящих разрядов. Электрический ток, протекающий через нити разрядов, замыкается на нижний электрод через поверхностные емкости. Чем больше величина поверхностной емкости, тем сильнее неравномерность поля и выше градиент вблизи коронирующего электрода; поэтому скользящие разряды возникают при меньшем приложенном напряжении. Для расчета напряжения появления скользящих разрядов имеется эмпирическая формула

[1,10]:

82

Часть I. Глава 5 Самостоятельные разряды в газах

где С – удельная поверхностная емкость в Ф/см2.

Формула (5.3) справедлива при С > 0.25 ×10−12 , Ф/см2. Считается, что при развитии скользящего разряда важное значе-

ние имеет нормальная составляющая поля, прижимающая электроны или ионы к поверхности диэлектрика. При этом заряженные частицы движутся как бы «с трением», вызывая разогрев поверхности диэлектрика. Поэтому при развитии скользящего разряда важную роль может играть термоионизация. С увеличением поверхностной емкости увеличивается электрический ток в нити скользящего разряда, а следовательно, возрастает ее проводимость. Поэтому с увеличением поверхностной емкости возрастает длина нити скользящего разряда. Так, в случае воздействия импульсного напряжения, длина скользящего разряда может быть вычислена по эмпирической формуле Теплера:

лярности и k = 0.48×10−4 – для импульсной положительной полярности.

Когда скользящий разряд достигает второго электрода, происходит перекрытие. Поэтому если l = d , то получаем выражение для напряжения перекрытия:

уменьшения длины проходных изоляторов на очень высокие напряжения принимают меры к выравниванию распределения напряжения между электродами.

Для поверхностных разрядов характерна слабая зависимость на-

83