Файл: Техника высоких напряжений учеб. пособие.pdf

температура канала вдвое меньше, чем в основании. Поэтому лишь в основании стримера создается участок разогретого высокоионизированного канала с весьма низкой продольной напряженностью: десят­ ки—сотни вольт на 1 см. Возникновение такого участка приводит к повышению напряженности поля на его внешней границе, обращенной в сторону слабого поля, вследствие образования положительного за­ ряда весьма высокой концентрации после некоторого смещения элек­ тронов этого участка к аноду. Это приводит к последовательному об­ разованию новых стримеров, разогревание которых вызывает дальней­ шее удлинение канала искры. Одновре­ менно продолжается повышение темпе-

.ратуры в ранее образованных участках искрового канала, достигающей десят­ ков тысяч градусов (20-МО тыс. °К). Быстрое увеличение температуры газа

вискровом канале вызывает повышение давления в нем до 10ч-20 am и образо­ вание ударной звуковой волны.

По мере продвижения искрового ка­ нала в глубь разрядного промежутка появляются новые стримеры (рис. 2.16),

вто время как образованные ранее соз­

при этом образуется в объеме газа. Однако, поскольку стримеры раз­ виваются преимущественно в направлении к противоположному элек­ троду, это не означает, что количество объемного заряда на 1 см длины искрового канала также составляет 1-^2 мкк. Ориентировочно вели­ чина объемного заряда на единицу длины искрового канала в длин­ ных воздушных промежутках может быть оценена из следующих со­ ображений. Принимая напряженность поля в пределах стримерной зоны неизменной и равной средней величине Естр, получим падение напряжения в пределах стримерной зоны

^^стр ' -^стр^стр’

где /стр—длина стримеров.

Однородному полю в пределах стримерной зоны вокруг канала лидера соответствует объемный заряд с концентрацией

«я = е 0£'стр/г, где г — расстояние от оси искрового канала.

4!

части, вблизи электрода, при длинах фронта импульса напряжения свыше 1(Юч-500 мксек наблюдается толчкообразное развитие положи­ тельного лидера (см. рис. 2.17).

Приближение высокопроводящего канала лидера ко второму элек­ троду вызывает существенное увеличение напряженности поля в еще не перекрытой части промежутка, поскольку падение напряжения вдоль канала лидера мало (0,1 — 1 кв/см). При этом бурно нарастают ионизационные процессы и ток через разрядный промежуток. В соот­ ветствии с вышеизложенным основная часть положительного заряда

Рис. 2.17. Фоторазвертка развития лидера в проме­ жутке стержень — плоскость длиной 10 м:

I — стримеры; 2 — канал непрерывного лидера (затвор закрыт до начала стадии нейтрализации; на фотографии видна толь­ ко верхняя половина разрядного промежутка)

лидера расположена вне проводящего канала. Для его компенсации в канал лидера втягивается из катода избыточный отрицательный заряд (электроны), создающий высокие радиальные напряженности поля обратного знака (отрицательный заряд в канале лидера, поло­ жительный заряд вокруг канала). В результате с канала лидера разт вивается отрицательная корона, благодаря которой поток электронов нейтрализует положительный объемный заряд, окружающий канал лидера. Этот процесс сопровождается вспышкой свечения как канала искры, так й окружающего его пространства. Скорость распростра­ нения фронта ионизационных процессов в обратном направлении вдоль канала лидера достигает (14-2) ІО7 м/сек. Кратковременность стадия нейтрализации объемного заряда обусловливает наибольшую величи­ ну тока за все время развития разряда, значительно превышающую ток в последующей дуговой стадии, определяемой параметрами электрнт ческой цепи. По этой причине эту стадию иногда называют главной,

43

Однако, поскольку в лидерной и главной стадиях через каждое попе­ речное сечение искрового канала проходит одинаковое суммарное коли­ чество заряда, а расширение канала в главной стадии незначительно ввиду ее кратковременности, проводимость всего канала искры в главной стадии увеличивается не более чем на 50% по сравнению с проводимостью в конце лидерной стадии (по данным Б. Н. Горина).

§ 2.8. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ РАЗРЯДА С ОТРИЦАТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННОГО ОСТРИЯ

Отличительной особенностью развития разряда в резконеоднород­ ном поле при отрицательном заряде на коронирующем электроде яв­ ляется образование в объеме газа ионов обоих знаков в приблизитель­ но одинаковом количестве. Действительно, в этом случае лавины развиваются в направлении от коронирующего электрода. Оставшиеся

после прохождения лавин положительные ноны располагаются вблизи электрода, а элек­ троны перемещаются в область слабого поля, захватываются нейтральными молекулами и образуют отрицательные ионы вблизи грани­ цы зоны ионизации.

Невозможность накопления в поле раз­ рядного промежутка избыточного отрицатель­ ного заряда создает ситуацию, аналогичную короткому замыканию: как бы ни был велик ток разряда, напряжение на промежутке не возрастает сверх начального напряжения ко­ роны. Напротив, из-за более близкого распо­ ложения положительных ионов к электроду составляющая потенциала электрода от объ­ емного заряда имеет положительный знак, что при неизменном или возрастающем напря­ жении на промежутке может иметь место толь­ ко при соответствующем увеличении заряда на электроде, сопровождающемся увеличением

напряженности поля вблизи электрода и резким увеличением интен­ сивности ионизации. В результате в чрезвычайно короткий промежу­ ток времени (ілД0~в сек) сильно искажается поле вблизи электрода (рис. 2.18). Сужение области высокой напряженности поля, в которой поддерживаются ионизационные процессы, до долей миллиметра и очень высокая напряженность поля в ее пределах обеспечивают'ско­ рость устранения создаваемых лавинами положительных ионов (с ней­ трализацией на поверхности электрода), достаточную для создания из­ бытка отрицательного объемного заряда. Например, при длине лавины 0,01 см и напряженности поля 100 кв/см при подвижности ионов 2 смі/в-сек весь созданный лавиной положительный заряд устраняется за 0,5-ІО-7 сек. Для создания же избытка отрицательного заряда до­ статочно частичное устранение положительных ионов.

44

Образование избыточного отрицательного объемного заряда при­ водит к снижению напряженности поля на поверхности коронирующего электрода и прекращению самостоятельного разряда. Продолжающая­ ся нейтрализация положительных ионов на электроде приводит к дальнейшему увеличению избыточного отрицательного заряда и соот­ ветственно к дальнейшему снижению напряженности поля на коронирующем электроде. Наименьшая величина напряженности поля на электроде соответствует ■моменту нейтрализации последних положи­ тельных ионов. В дальнейшем она увеличивается вследствие переме­ щения отрицательного объемного заряда от электрода в область сла­ бого поля. При начальном напряжении короны напряженность поля на поверхности электрода вновь достигает начальной напряженности короны Еп только после того, как весь отрицательный объемный заряд покинет поле разрядного промежутка. После этого вновь возникнет самостоятельный разряд, и процесс повторится.

При увеличении напряжения сверх начального напряжения коро­ ны для возникновения следующего импульса тока не требуется полного устранения отрицательных ионов из промежутка. Поэтому при увели­ чении напряжения интервалы между двумя последующими импульса­ ми уменьшаются до тех пор, пока не установится непрерывный режим короны. При этом поле вблизи коро­ нирующего электрода оказывается существенно выровненным отрица­ тельным объемным зарядом.

Благодаря такому бурному разви­ тию ионизационных процессов вбли­ зи поверхности электрода и сильному ослаблению поля за пределами зоны ионизации в импульсном режиме от­ рицательной короны образование от­ рицательных стримеров оказывается невозможным.

Дальнейшее повышение напряже­ ния после установления непрерыв­

ного режима короны приводит к образованию стримеров, как и в случае положительно заряженного электрода. Скорость их распро­ странения имеет такой же порядок, как и при положительном напря­ жении. Механизм развития отрицательного стримера иллюстрирован рис. 2.19. Высокая напряженность поля в области фронта отрицатель­ ного стримера создается электронами лавин..

После прохождения отрицательного стримера остается канал с ионами обоих знаков и облачко отрицательных ионов вблизи кончика затормозившегося стримера. Электроны продолжают движение от катода вдоль канала стримера в направлении к его концу. Значитель­ ная часть электронов присоединяется к нейтральным молекулам газа на периферии канала. Таким образом, механизм развития отрицатель­ ного стримера не обеспечивает создания избыточного отрицательного заряда в промежутке. Однако образование избыточного положитель­ ного заряда в канале стримера вблизи электрода вследствие смещения

45

электронов в сторону кончика стримера приводит к существенному по­ вышению напряженности поля, и вновь возникает разряд в лавинной форме, поставляющий в канал стримера электроны. Таким путем фор­ мируется избыточный отрицательный заряд в поле короннрующего промежутка, пронизываемом стримерами.

Движение электронов вдоль канала стримера приводит к его ра­ зогреванию. Причем, поскольку наибольшее количество заряда про­ ходит через начальную часть канала стримера, она разогревается больше, чем конечная. При достаточной длине стримеров температура канала стримера возрастает настолько, что начинается термическая ионизация газа и образуется канал лидера.

Длина каждого стримера, участвующего в развитии искровогоканала при импульсах, имитирующих грозовые перенапряжения (1,2/50 мксек), в промежутках длиной І4-3 м составляет 204-25 см. При напряженности поля в канале стримера Естр = 10 кв/с.н такой дли­ не соответствует падение напряжения на всей его длине 200-1-250 кв, что составляет значительную долю от напряжения на разрядном про­ межутке. Это обстоятельство затрудняет дальнейшее продвижение стримера без существенного уменьшения падения напряжения вдоль образовавшегося канала, что может быть осуществлено только в ре­ зультате его разогревания движущимся вдоль стримера потоком элек­ тронов.

-Время, необходимое для продвижения электронов вдоль стримера (на 204-25 см), при их скорости порядка ІО5 м/сек составляет 24-3 мксек. В действительности интервал времени между двумя последующими вспышками свечения канала составляет около 1 мксек, что свидетель­ ствует о пробеге электронами расстояния, меньшего длины стримера. Прогреваемая часть канала стримера составляет 54-15 см. В результа­ те, аналогично случаю положительного острия, скорость продвижения разогретого канала лидера имеет порядок скорости движения электро­ нов в стримере (0,84-2,0) ІО5 м/сек. Картина развития разряда имеет вид, изображенный на рис. 2.20. Образование каждого нового стри­ мера вызывает вспышку свечения во всем канале развивающегося лидера. Это свечение распространяется от места сопряжения со стри­ мером и возникает вследствие кратковременного протекания большого тока, связанного с развитием ионизационных процессов и перемеще­ нием электронов в образующийся канал стримера. Наиболее ярко^ светится вновь образующийся канал стримера, напряженность поля вдоль которого наибольшая.

Особенности формирования отрицательного лидера (разогревание значительной части каждого стримера) определяют толчкообразноеступенчатое его развитие по всей длине промежутка в отличие от по­ ложительного лидера (см. рис. 2.17). Поданным измерений параметров развития отрицательного лидера, в промежутке стержень— плоскость, длиной 3,1 м при импульсах коммутационных перенапряжений с дли­ ной фронта 3000 мксек среднее разрядное напряжение равно 2150 кв, а длина стримеров — 1 м. При этих данных согласно формуле (2.25) объемный заряд на 1 м длины лидера qo6= 0,42-10- '1к/м и Естр—7,6кв/слі. Эта величина -соответствует средней напряженности поля стрн-

46