ЛЕКЦИЯ 5

РАЗДЕЛ 2 (продолжение) Физические процессы в ионизированных газах

2.7.2Разряды в резконеоднородных полях

2.7.3Барьеры в резконеоднородных полях

2.8Время разряда и вольт-секундные характеристики воздушных промежутков

2.7.2Разряды в резконеоднородных полях

Рассмотрим промежуток с резконеоднородным полем (Кн>4, промежуток коронирующий).

В коронирующих промежутках с резконеоднородным полем α>0

только на части промежутка, и условие самостоятельности разряда выполняется на участке от внутреннего электрода до границы зоны коронирования:

r

где rk – радиус зоны коронирования (”чехла” короны). Из (2.41) следует, что

где Е – напряженность поля у внутреннего электрода; Ек – напряженность на границе зоны коронирования; Еx – напряженность в точке с координатой x.

Воспользуемся выражением (2.10) в общем виде:

где a и b – постоянные.

Поскольку на границе зоны коронирования α=0, то Ек=bδ , а значит в соответствии с (2.47):

rк = δErb и Exδ = Erδx

С учетом этого условие самостоятельности разряда (2.46) приобретает вид

После интегрирования и преобразований получаем:

Решение уравнения производится в следующем порядке:

1.Задаемся значением r при заданной δ и находим Ен;

2.Определяем Uн по (2.47), то есть U н = Eнr ln Rr

Пробой коронирующего промежутка происходит при напряжении, большем начального (см. рис.2.7).

Рис. 2.7.

Экспериментальная зависимость Uн=f(r/R) Начальные и пробивные напряжения воздушного промежутка между коаксиальными цилиндрами (R=10 cм)

Если разрядный промежуток несимметричный, то есть его электроды имеют разные радиусы кривизны, то пробивное напряжение зависит от полярности электрода с меньшим радиусом кривизны: при отрицательной полярности оно существенно выше, чем при положительной (рис.2.8).

Рис 2.8. Разрядные напряжения воздушных промежутков стержень-плоскость при 1-отрицательной, 2- положительной полярности стержня. Постоянное напряжение

L, см

Объясняется это тем, что при положительной полярности подвижные электроны легко уходят из зоны разряда на электрод, а остающийся положительный объемный заряд усиливает напряженность электрического поля во внешней части промежутка, способствуя дальнейшему развитию разряда. При отрицательной полярности, наоборот, малоподвижный положительный объемный заряд уменьшает напряженность поля во внешней части промежутка и для развития разряда требуется значительно большее напряжение. Средние разрядные напряжения при положительной полярности

стержня ≈4,5 кВ/см, а при отрицательной ≈10 кВ/см, что существенно меньше (в 3-5 раз), чем при разрядах в однородном поле.

2.7.3 Барьеры в резконеоднородных полях

Одним из способов повышения электрической прочности изоляционных промежутков является применение диэлектрических барьеров. Барьеры устанавливаются только в коронирующих промежутках перпендикулярно центральной силовой линии промежутка.

Влияние барьера обусловлено осаждением на его поверхности зарядов того же знака, что и коронирующий электрод. В результате этого напряженность электрического поля между коронирующим электродом и барьером снижается, что увеличивает прочность этого промежутка, но возрастает между барьером и другим электродом. Однако при этом поле в последнем промежутке становится более однородным, что обеспечивает увеличение электрической прочности всего промежутка.

Если могут коронировать оба электрода разрядного промежутка, то барьеры устанавливаются вблизи обоих электродов.

Упрочняющий эффект барьеров имеет место при постоянном, переменном и импульсном напряжениях. Однако при импульсных напряжениях барьерный эффект выражен слабее, так как барьер не успевает за короткое время зарядится.

2.8.Время разряда и вольт-секундные характеристики воздушных промежутков

Допустим, что к произвольному газовому промежутку многократно прикладывается напряжение, которое с определенной скоростью возрастает от нуля до максимума, а затем остается неизменным (рис.2.10). Если Umax достаточно велико, то разряд происходит при каждом включении, т.е. вероятность пробоя составляет 100%, однако время от момента включения до полного пробоя промежутка может меняться в довольно широких пределах.

Если к промежутку приложено напряжение, достаточное для пробоя (разряд во всяком случае не может начаться до того, как напряжение достигнет значения, равного Uн, при котором выполняется условие самостоятельности разряда).

Время разряда (tр) – время, необходимое для развития и завершения разряда в промежутке.

где

tх – холостое время. Это время подъема напряжения до значения Uн, при котором выполняется условие самостоятельности разряда;

tс – статистическое время запаздывания. Время ожидания появления в промежутке эффективного начального электрона, то есть электрона, образующего начальную лавину.

tф – время формирования разряда. Время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка.

Часто (tс+ tф) называют временем запаздывания разряда:

При увеличении напряжения tз уменьшается так как повышается вероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станут

эффективными, и tс уменьшается. Сокращается также и tф поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов в промежутке. Поэтому чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда.

Вольт – секундная характеристика воздушного промежутка – зависимость максимального напряжение разряда от времени действия импульса.

Вольт – секундные характеристики зависят от формы импульса. С целью унификации испытаний и возможности сопоставления изоляционных

конструкций установлен стандартный грозовой импульс 1,2/50 мкс (рис.

2.11).

tф – длительность фронта; tи – длительность импульса.

Для экспериментального определения вольт-секундной характеристики на исследуемый промежуток подаются импульсы стандартной формы. В силу статистического разброса времени разряда вольт-секундная характеристика получается в виде области точек (Рис.2.12), для которой указывается средняя кривая и границы разброса времени разряда.

Вид вольт-секундной характеристики зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке (Рис.2.13).

Разряд в промежутках с однородным или слабонеоднородным полем формируется за весьма малое время при напряжении, равном начальному значению. Поэтому вольт-секундная характеристика параллельна оси абсцисс, и только при временах разряда порядка 1 мкс и меньше разрядное напряжение увеличивается.

Вольт-секундные характеристики промежутков с резконеоднородным полем имеют достаточно большую кривизну, поскольку в таких промежутках время формирования разряда очень сильно зависит от значения приложенного напряжения.