Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

скорость достигается вблизи земли иа ранних стадиях развития, когда1 велика напряженность поля между областью поля, заполненной объем­ ным зарядом, и землей. По мере компенсации объемного заряда ос­ лабляется создаваемое им поле и соответственно снижается скорость нейтрализации объемного заряда.

В стадии нейтрализации разность потенциалов между облаком и землей падает до тысяч киловольт. По образовавшемуся проводящему _ каналу стекает заряд из облака в землю, поддерживая в течение не­ которого времени ток через канал. В стадии нейтрализации происхо­ дит выравнивание проводимости по длине канала молнии, сущест­ венно различной в конце лидерной стадии. Разогревание канала молнии происходит вследствие движения по нему заряда (электронов), большая часть которого располагается далее вокруг канала (в виде отрицательных ионов). При этом через сечение канала лидера вблизи облака проходит весь заряд, распределенный в объеме газа. Через сечение канала посредине пути лидера проходит только половина заряда, располагающегося вокруг нижней части канала лидера. Соответственно проводимость канала оказывается наибольшей вблизи разряжающегося облака и наименьшей вблизи поверхности земли или

где q — заряд, протекающий через данное сечение канала, к. Напри­ мер, при величине заряда, распределенного вокруг всего канала ли­

В стадии нейтрализации наблюдается обратное соотношение между зарядами, протекающими через сечения, расположенные на разных вы­ сотах. Наибольший заряд проходит через сечение канала у поверхно­ сти земли (или в месте встречи лидеров, развивающихся от облака и от высокого предмета на земле), наименьший заряд— вблизи облака. Поэтому в сумме (в лидерной стадии и стадии нейтрализации) через каждое сечение проходит примерно одинаковое количество заряда, что по закону Теплера (2,26) определяет приблизительно одинаковые величины проводимости по длине канала в конце стадии нейтрализации.

Следует специально оговориться, что изменение сопротивления канала в каждом его сечении происходит постепенно, по мере прохож­ дения по каналу молнии заряда в течение всей лидерной стадии и всей стадии нейтрализации, а не скачком по мере распространения фронта волны нейтрализации, как это часто полагают. Далее, поскольку на­ ибольшее сопротивление имеет часть канала, примыкающая, к земле, и ток через эту часть канала наибольший, то наибольшая продольнаянапряженность поля имеет место на этой части канала.

Резкое уменьшение потенциала разряжающегося элемента облака приводит к возрастанию напряженности поля между этим и другими 4

5L

заряженными элементами облака. При достаточной величине напря­ женности поля может развиваться разряд’между соседними заряжен­ ными элементами. Однако поскольку расстояния между ними имеют

Достижение вновь образовавшимся каналом разряженного эле­ мента облака приводит к резкому, повышению потенциала последнего и соответственно потенциала частично деионизованного канала пер­ вичного разряда. Одновременно повышается концентрация заряжен­ ных частиц в канале (за счет перемещения заряженных частиц из об­ лака в канал, перераспределения заряженных частиц вдоль канала и повышения температуры канала вновь до десятков тысяч градусов, вызываемого движением электронов вдоль канала).' Этот процесс рас­ пространяется со средней скоростью 5- 10s см/сек (от 1- 10s до 1,6- 10э) от облака к земле п визуально отмечается возникновением ярко све­ тящегося участка канала длиной в несколько десятков метров, не­ прерывно продвигающегося к земле. Поэтому эта фаза разряда полу­ чила название «стреловидный лидер».

Опыт показывает, однако, что промежуток времени между двумя повторными разрядами молнии в большинстве случаев превосходит приведенную величину Д/=0,01 сек (рис. 2.23). Попытки объяснить

кратным грозовым разрядом (2)

большие величины интервалов между повторными разрядами боль­ шими длинами каналов молнии внутри облаков между заряженными элементами оказались несостоятельными, поскольку согласно рис. 2.23 эти длины должны были бы измеряться десятками километров. Повидимому, различие интервалов между разрядами определяется в ос­ новном различной скоростью накопления зарядов в отдельных эле­ ментах облака, продолжающегося и после разряда одного или не­ скольких элементов облака. Наиболее вероятная длительность интер­ вала — около 0,07 сек.

52

Число повторных импульсов в грозовом разряде изменяется в широких пределах (рис. 2.24). Однако наиболее часто грозовой разряд •состоит из 3—4 импульсов.

Развитие повторного разряда зависит от температуры канала пре­ дыдущего импульса и от его интенсивности. Поскольку температура канала к моменту повторного разряда оказывается тем большей, чем меньше-интервал времени между импульсами и чем больше интенсив­ ность предшествующего импульса, то скорость распространения «стре­ ловидного лидера» также определяется этими параметрами, увеличи­ ваясь при уменьшении интервала. Однако при больших интервалах времени между импульсами, составляющих десятые доли секунды, канал успевает настолько охладиться, что восстановление его темпе­ ратуры и проводимости осуществляется в результате обычного сту­ пенчатого лидерного процесса с характерной ветвистостью канала. Характерно, что имеют место случаи чередования полярности повтор­ ных импульсов, что определяется разрядом различных элементов облаков с различной полярностью заряда.

При наличии возвышающихся объектов над поверхностью земли продвижение канала молнии из облака по направлению к земле со­ провождается развитием встречного канала с заземленного электрода, что в значительной мере предопределяет поражение того или иного объекта.

При высотах наземных объектов порядка 300—400 м развитие канала молнии осуществляется с объекта на облако, т. е. с положи­ тельно заряженного электрода.

Рассмотрение механизма развития грозового разряда показывает, что он представляет собой процесс непрерывного опускания заряда в землю из облака (в большинстве случаев отрицательного), который происходит с различными скоростями в отдельных его стадиях. На­ ибольшая скорость «опускания» заряда имеет место в стадии главного разряда в процессе нейтрализации объемного заряда. Этой стадии соот­ ветствует наибольший ток молнии.

Данные многочисленных измерений показывают, что средний заряд, опускаемый на землю многократным грозовым разрядом, составляет 15-f-20 к. Поскольку наибольшее число разрядов содержит 3—4 им­ пульса, то во время одного импульса на землю переносится около 5 к. Согласно наблюдениям Шонланда в лидерной стадии из облака в ка­ нал стекает около 0,6 всего стекающего заряда. Следовательно, сред­ ний заряд, распределенный вдоль канала лидера, должен составлять около 3 к. При средней длине лидера 2—3 км средняя линейная плот­ ность заряда, внедренного лидером в пространство, составит около 10_3 к/м.

Величины зарядов, переносимых многократными грозовыми раз­ рядами, могут существенно отличаться от указанных средних величин (см. рис. 2.24). Случайные величины переносимых молнией зарядов при различии длин каналов молнии определяют различие амплитуд и крутизн токов молнии, а также длительностей импульсов тока (см. рис. 14.2).

53

§ 2.11. РАЗРЯЦ В ГАЗЕ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА (СКОЛЬЗЯЩИЙ РАЗРЯД)

Этот вид разряда в газах выделен не вследствие специфики меха­ низма разряда,' а из-за особенностей создания условий его возникно­ вения. Рассмотрим систему электродов, изображенную на рис. 2.25, имея в виду, что толщина диэлектрика значительно меньше, чем рас­ стояние между верхними электродами. В этом случае напряженность

3,

Рис. 2.25. Характерные системы электродов. Нап­ ряжение приложено между электродами, от кото­ рых отходят провода

поля вблизи верхних электродов (рис. 2.25, б и в) существенно больше, чем при том же расстоянии между ними, но при отсутствии нижнего электрода. Примем далее, что пробивное напряжение твердого диэлек­ трика больше, чем у промежутка^между верхними электродами, за­ полненного газообразным (или жидким) диэлектриком. Тогда повыше­ ние напряженности поля у края верхних электродов вызовет появле­ ние коронного разряда. Характерно, что свечение возникает одновре­

менно по всему периметру электро­

тродами на поверхности диэлектрика при отсутствии и наличии треть­ его электрода Э3 под диэлектриком Д при неизменном напряжении между верхними электродами Э, и 3 2. В первом случае напряженность поля распределяется более равномерно, максимальная ее величина у электродов Э\ и Э2значительно ниже, чем во втором. В толще твердого диэлектрика при наличии электрода Э3 напряженность поля выше и распределяется более равномерно. Большая напряженность поля на краях верхних электродов приводит к появлению при относительно низких напряжениях стримеров в приэлектродной области в виде тон­ ких нитей, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика. Меха­ низм их развития практически такой же, как в газовом промежутке.

54

Канал стримера отделен от поверхности диэлектрика слоем газа, по­ скольку вливающиеся в стример лавины образуются вследствие фотопонизации молекул газа и развиваются в нем. Характерно, что в спектре излучения стримеров скользящего разряда отсутствуют линии диэлектрика. Спектрографические данные свидетельствуют о сущест­ венном повышении температуры в канале стримера (до 2200 °К), а при

продвижения канала лидера имеет тот же порядок, т. е. 1СИ-Ч-105 м/сек. Удлинение стримеров гг соответственно повышение температуры их каналов происходит при повышении напряжения между электро­ дами. Замыкание каналом лидера промежутка между верхними элек­ тродами завершает пробой промежутка. Низкое начальное напряжение короны в системе электродов, изображенной на рис. 2.25, б, в, обуслов­ ленное наличием нижнего электрода, определяет и более низкое про­ бивное напряжение по сравнению со случаем, когда нижний электрод

Э3 отсутствует.

При развитии канала стримера поверхность диэлектрика оказы­ вается заряженной, поскольку образующийся объемный заряд при движении в поле встречает препятствие в виде поверхности диэлектрика и оседает на ней. Этот заряд искажает поле разрядного промежутка: поле вблизи электродов ослабляется, что приводит к затуханию раз­ ряда. Поэтому скользящий разряд развивается только при быстро воз­ растающем напряжении, например при переменном напряжении про­ мышленной пли повышенной частоты в начале каждого полупериода. Наличие двух верхних электродов на поверхности диэлектрика не обязательно для возникновения скользящего разряда. Например, в системе электродов, показанных на рис. 2.25, а, также возникает скользящий разряд.

Все изложенное в отношении механизма скользящего разряда в газе в равной степени справедливо и для жидких диэлектриков.

Напряжение возникновения скользящего разряда тем меньше, чем меньше толщина диэлектрика и соответственно выше напряженность поля на краю электрода (см. рис. 2.26). Так, при соединении одного из верхних электродов с нижним (см. рис. 2.25, в) напряжение воз­ никновения скользящего разряда существенно уменьшается, посколь­ ку возрастает напряженность поля как в толще диэлектрика, так и на краях электродов. Аналогично, при увеличении диэлектрической про­ ницаемости твердого диэлектрика увеличивается напряженность поля на краях электродов.

При увеличении поверхностной проводимости диэлектрика (нап­ ример, при увлажнении) распределение напряженности поля по по­ верхности диэлектрика выравнивается. Соответственно снижается нап­ ряженность поля вблизи электродов, что приводит к повышению на­ чального напряжения скользящего разряда.

С учетом перечисленных факторов, влияющих на начальное напря­ жение коронного (и скользящего) разряда, на рис. 2.27 приведена эк­ вивалентная схема комбинированного диэлектрика на краю электрода применительно к расположению электродов на рис. 2.25, а.

55