Лидерный разряд в элегазовых промежутках с диэлектрическим барьером

Проведены исследования разрядных характеристик промежутков стержень — плоскость в элегазе при давлении 0,05—0,5 МПа. Радиус скругления стержневого электрода 5-10-3 м, расстояние между электродами составляло 3-10-2 м. Эксперименты проведены при воздействии импульсного и постоянного напряжений. Использовался импульс напряжения с длительностью 500 мкс и фронтом 0,1 мкс, моделирующим воздействие высокочастотных коммутационных перенапряжений. Проведены исследования влияния диэлектрического барьера на электрическую прочность промежутков, ее связи с пространственно-временной картиной развития разряда. Показано, что разрядные характеристики промежутков определяются расположением диэлектрического барьера и способностью накопления заряда на его поверхности.

УДК 621.316.933.6.015.5:621.315.618.9
В. П. Вертиков, А. Н. Куьико, И. В. Панкратова, Д. Л. Подгорнов
ЛИДЕРНЫЙ РАЗРЯД В ЭЛЕГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКАХ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ БАРЬЕРОМ

В промежутках с резко неоднородным полем в элегазе разряд в зависимости от давления развивается в двух формах — стримерной и лидерной [1]. Стримерная форма характерна для давлений газа менее 0,1 МПа. При этом значение параметра E/р, т. е. отношение средней напряженности к давлению газа, достаточное для продвижения стримеров через весь промежуток, составляет около 40 В/(м-Па). С ростом давления газа размер стримерной зоны уменьшается примерно обратно пропорционально этому давлению, и пробой происходит при формировании лидерного канала. Лидерный процесс развития разряда обнаружен также в трехэлектродном промежутке, в котором моделировались условия пробоя на заземленную оболочку в разъединителе КРУЭ при коммутации малых емкостных токов [2].
Трехэлектродный разрядный промежуток состоял из двух соосных стержней с полусферическими головками, расположенных над заземленной плоскостью. На один из стержней подавалось высокое напряжение, другой находился под наведенным потенциалом. Пробой на плоскость происходит после пробоя между стержнями. Введение в промежуток параллельно плоскости диэлектрического барьера позволило существенно увеличить время формирования разряда и пробивные напряжения. Однако возможное влияние диэлектрика на разрядные процессы оставалось неизвестным. Для выявления изменений, вносимых барьером в развитие разряда, в данной работе при экспериментах использовался промежуток стержень — плоскость. Это обусловлено, во-первых, упомянутым подобием развития разряда в трехэлектродной системе и промежутке с резко неоднородным электрическим полем; во-вторых, пространственно-временная картина процесса разряда в промежутке без барьера изучена достаточно полно [1], что позволяет обнаружить вносимые диэлектриком изменения; в-третьих, время формирования пробоя в промежутке стержень — плоскость сопоставимо с разрешающей способностью применяемой электроннооптической аппаратуры.
Исследования проводились в экспериментальной камере диаметром 0,5 и высотой 0,6 м. Давление элегаза составляло 0,05— 0,4 МПа. Высоковольтным электродом служил латунный стержень с полусферическим окончанием. Диаметр стержня 1 мм, диаметр плоского электрода 16 см, расстояние между электродами 3 см. Плоский диэлектрический барьер из полиметилметакрилата толщиной 3 мм и площадью поверхности 180 см² располагался перпендикулярно оси промежутка на разных расстояниях от плоскости. К разрядному промежутку прикладывался импульс напряжения положительной полярности с фронтом 0,1 мкс и временем полуспада 500 мкс.
Пространственно-временная картина развития разряда регистрировалась электронно-оптическим преобразователем (ЭОП). Применение специального электронного затвора позволило исключить засветку экрана ЭОП яркой искровой стадией разряда, что обеспечивало высокое качество эопограмм и позволило работать с большим усилением по свету. Синхронно с эопограммами осциллографировались подаваемое напряжение и заряд, протекающий через промежуток. Для уменьшения времени запаздывания разряда и синхронизации начала развития разряда с работой измерительной аппаратуры использовалась ультрафиолетовая подсветка промежутка лампой СВД-120, помещенной в экспериментальную камеру.
Эксперименты показали, что диэлектрический барьер приводит к значительному увеличению пробивных напряжений. На рис. 1 представлены значения 50%-ных разрядных напряжений в зависимости от давления элегаза. Кривая 1 получена для случая, когда барьер располагался на расстоянии 1,5 см от высоковольтного стержневого электрода, кривая 2 — для промежутка без барьера. Максимальное увеличение пробивного напряжения (в два раза) достигается при давлении элегаза 0,2 МПа. Положение барьера в промежутке также влияет на пробивное напряжение. На рис. 2 представлены зависимости пробивного напряжения промежутка от положения барьера при различных давлениях элегаза. Максимальное значение пробивного напряжения наблюдается при положении барьера вблизи стержневого электрода. При изменении положения барьера в средней части промежутка пробивные напряжения практически не меняются. Однако при приближении барьера к плоскости наблюдается снижение пробивного напряжения примерно на 20%.

Рис. 3

Окончание рис. 3

Изучение оптической картины явления показало, что в исследованном диапазоне давлений элегаза разряд развивается в лидерной форме независимо от наличия в промежутке диэлектрического барьера и его расположения. Лидер, распространяясь ступенями, достигает барьера. Здесь он разветвляется на несколько каналов, которые, развиваясь вдоль барьера, в дальнейшем достигают плоскости.
Основные параметры разряда (длина стримерной зоны и ступени лидера, интервал времени между ступенями, заряд, протекающий в промежутке) определялись при 50%-ном разрядном напряжении. При этом оказалось, что несмотря на различие в значениях пробивных напряжений указанные параметры разряда остаются практически постоянными. Для примера на рис. 3 приведены экспериментальные значения длины стримерной зоны lстр (а), временного интервала между ступенями лидера ∆t (б) и заряда Q (в), протекающего в промежутке за время формирования ступени при различных давлениях элегаза для двух промежутков: без барьера и при наличии барьера на расстоянии 1,5 см от стержня. Совпадение параметров разряда при существенной разнице в пробивных напряжениях позволяет сделать вывод об определяющем влиянии барьера на распределение поля вблизи стержневого электрода. Для оценки степени искажения электрического поля заряженным барьером при помощи емкостного зонда исследовалось распределение заряда, осажденного на поверхности диэлектрика, которое показало, что последний в основном сосредоточен в области, размер которой соответствует длине стримерной зоны.
Расчет электростатического поля показал, что введение в промежуток тонкого незаряженного диэлектрического барьера не вызывает заметного искажения в его распределении. Таким образом, основной причиной, приводящей к снижению напряженности поля вблизи высоковольтного электрода, является осаждение заряда, вносимого стримерной короной на поверхности диэлектрика. Для формирования лидера и пробоя промежутка требуется дополнительное увеличение напряжения. Проведены расчеты распределения электрического поля в промежутке при следующих условиях. Радиальный размер зоны, занятой зарядом, принимался равным размеру стримерной зоны при заданном давлении элегаза (см. рис. 3, а). Суммарный избыточный положительный заряд, осаждающийся на поверхности диэлектрика, принимался равным заряду, внедряемому в промежуток стримерной зоной. При этом значение осаждающегося заряда Qос определялось в соответствии с теоремой Шокли о наведенных зарядах:

где — регистрируемый заряд, суммарное значение которого указано на рис. 3, в; — потенциал поля в точке, 
где расположен заряд Qpeг при единичном потенциале на регистрирующем электроде.
Методика расчета заряда Qoc подробно описана в [3]. Принималось, что плотность заряда на диэлектрике постоянна. Расчет распределения поля в промежутке проводился методом эквивалентных зарядов при различных значениях потенциала.
В результате получено, что изменение напряженности поля Е вблизи высоковольтного электрода при пробивных напряжениях для промежутка с заряженным барьером и без него практически совпадает. Пример результатов расчета при давлении элегаза 0,1 МПа представлен на рис. 4. Расстояние до барьера составляло 1,5 см.

Рис. 4
Дополнительные эксперименты, выполненные для промежутка с барьером, площадь которого (4 см²) примерно соответствовала размеру стримерной зоны при давлении 0,1 МПа, показали, что пробивное напряжение практически совпадает с пробивным напряжением промежутка при большой (180 см²) площади барьера. Это служит дополнительным подтверждением того, что определяющее влияние на увеличение электрической прочности промежутка оказывает заряд, осаждаемый на диэлектрике стримерами, а не увеличение пути разряда.

ВЫВОДЫ

Основное влияние на формирование лидера оказывает изменение напряженности электрического поля вблизи стержневого электрода, обусловленное избыточным положительным зарядом, осаждающимся на барьере. При этом, несмотря на существенное увеличение пробивных напряжении промежутка, основные параметры разряда совпадают с характерными для промежутка без барьера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бортник И. М., Вертиков В. П., Подгорное Д. Л. Развитие разряда в элегазе в резконеоднородных полях при положительной полярности импульсного напряжения // Журн. техн. физики. 1986. № 11. С. 2107—2114.
2. Varivodov V. N., Pankratova I. V., Podgornov D. L. Three electrode discharge in SF6 // Proc. 5-th ISH. Braunschweig, 1987. P. 15—20.
3. Особенности развития стримерной фазы импульсного разряда в элегазе / И. М. Бортник, В. П. Вертиков, Ю. Г. Сергеев, Д. Л. Подгорнов. Сб. науч. тр. МЭИ. 1987. № 124. С. 37—44.