Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

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»

следующими стримерами составляет 100 мксек. За такой промежуток времени электроны в канале стримера (£стр^1000 кв/м\ пе« 1 0 5 м/сек) проходят путь А/е= и £>Д^= ІО510_J = 10 м, т. е. в соответствии с изло­ женным в § 2.8 разогревается часть канала стримера, примыкающая к облаку. Термическая ионизация газа в этой части канала стримера приводит к резкому увеличению концентрации заряженных частиц и соответственно к снижению падения напряжения. Смещение электро­ нов к концу термоионизованной части канала приводит к существен­ ному повышению напряженности поля на ее границе, ограничиваемому возникновением нового стримера.

Следует заметить, что количество электричества в канале единич­ ного стримера молнии при его длине 20-^30 м значительно больше, чем в канале единичного стримера лабораторного искрового проме­ жутка. Однако достигаемая температура каналов стримеров в этих настолько различных промежутках имеет один порядок вследствие резкого различия радиусов каналов стримеров [см. (2.24)1. Если радиус канала лидера в лабораторном промежутке составляет 0,01 -^-0,1 см, то радиус канала молнии составляет несколько сантиметров, т. е. на два порядка больше, чем в лабораторном промежутке. Такое уве­ личение радиуса канала лидера непосредственно связано с разли­ чием длины стримеров. В процессе развития стримера ионизационные процессы на его кончике (см. рис. 2.19) захватывают все более широкую область аналогично увеличению диаметра лавины электронов по мере

ееразвития вследствие диффузии электронов.

Так же как и в лабораторных разрядных промежутках, скорость

продвижения термоионнзованного канала молнии имеет порядок ско-

рости движения электронов в канале стримера (ІО5 м/сек). Случайность направления развития искрового канала, обусловленная случайно­ стью направления прорастания стримеров, приводит к существенным изгибам II разветвлениям канала молнии (рис. 2.22).

Когда канал молнии достигает земли, то, как и в лабораторных искровых промежутках, начинается процесс нейтрализации объемного заряда, внедренного в пространство, окружающее канал лидера. Этот процесс протекает со скоростью от 2 -ІО7 до 1,5-10? м/сек. Большая

•50