В условиях дождя электрическая прочность воздушных промежутков, как правило, значительно ниже, чем в сухих условиях. Это связано с тем, что капли и струйки воды, стекающие с электродов, существенно искажают электрическое поле в промежутке. При относительно малых расстояниях между электродами (до 50 мм) основное влияние на снижение электрической прочности под дождем имеют капли воды, попадающей на электрод. Поскольку на сферическом выступе, каковым является капля, напряженность электрического поля утраивается, наличие капель приводит к снижению начального и пробивного напряжения. При межэлектродных расстояниях более 50 мм основную роль играют струйки воды, стекающие с электродов. Струйки образуют острия длиной до нескольких миллиметров. С концов этих острий при достаточном напряжении развивается коронный разряд, характер которого определяется частотой. При частотах 150—1500 кГц на струйках воды образуется кистевая корона. Так как напряжение угасания короны меньше начального (см. ниже рис. 4-27), то после стекания струйки корона не гаснет, а продолжает существовать на электроде. Коронный разряд представляет собой сильно разветвленное образование с ярко светящимся стволом, длина его может достигать 100 мм и более. Дальнейший подъем напряжения приводит к удлинению кисти и полному перекрытию промежутка. На рис. 4-14 приведены фотографии, отражающие стадии перекрытия воздушного промежутка под дождем при частоте 1500 кГц.
Рис. 4-14. Фотографии перекрытия воздушного промежутка провод—плоскость под дождем при частоте 1500 кГц: а — кистевая корона на электроде; б, в — последовательные стадии прорастания канала разряда; г — финальная стадия разряда
Поскольку струйки воды стекают с электродов вертикально, положение в пространстве электродов, образующих воздушные промежутки, играет определенную роль. На рис. 4-15 приведены пробивные характеристики в промежутке между перекрещивающимися цилиндрами при двух различных положениях электродов. Как следует из рис. 4-15, пробивные напряжения «вертикального» промежутка несколько меньше, чем у «горизонтального».
На рис. 4-15—4-20 приведены экспериментальные зависимости пробивных и начальных (коронных) напряжений от длины различных промежутков в атмосферном воздухе при частотах от 50 Гц до 1,5 МГц. Эти характеристики получены при стандартной интенсивности дождя (3 мм/мин), хотя, как показали эксперименты (рис. 4-21), интенсивность дождя слабо влияет на пробивные напряжения. Объясняется это тем, что уменьшение интенсивности дождя приводит к более редкому стеканию капель с электрода, но практически не влияет на их форму и размеры.
Влияние дождя на пробивные напряжения промежутков уменьшается с увеличением коэффициента неоднородности их электрических полей (в отсутствие дождя). Так, например, в наиболее неоднородном промежутке стержень (игла)—плоскость пробивные напряжения под дождем и в сухих условиях практически одинаковы (рис. 4-22). Если же коэффициент неоднородности не превышает нескольких единиц, то пробивное напряжение при дожде может быть в 2—3 раза меньше, чем в сухих условиях (рис. 4-23).
Рис. 4-22. Пробивные напряжения воздушного промежутка игла — плоскость в сухих условиях (о) и под дождем (●) при частоте 1,5 МГц
Рис. 4-23. Пробивные напряжения воздушного промежутка кольцо-кольцо (1,3) и игла-плоскость (П) в сухом состоянии (1) и под дождем (2,3); частота 13,4 кГц, диаметр трубы кольца 60 мм
Пробивные напряжения воздушных промежутков под дождем, как и в сухих условиях, уменьшаются с ростом частоты (рис. 4-24).
Если в сухих условиях уменьшение пробивных напряжений воздушных промежутков при увеличении частоты с 50 Гц до 1500 кГц составляет примерно 25%, то под дождем пробивное напряжение уменьшается в 2—3 раза.
Результаты экспериментальных исследований электрической прочности различных воздушных промежутков под дождем сведены в табл. 4-4.
Таблица 4-4
Амплитудные значения средних пробивных напряжений типовых воздушных промежутков, полученные в условиях дождя, кВ (числитель) и соответствующие нм стандарты распределения, % (знаменатель)
Рис. 4-25. Стилизованная картина возникновения и развития коронного разряда с капли воды
Для выявления причин снижения напряжения возникновения устойчивой короны при дожде и напряжении высокой частоты по сравнению с аналогичной характеристикой при промышленной частоте проводились исследования развития коронного разряда на электроде с каплей воды. При исследованиях испытывался тороидальный экран радиусом R=30 см, с r0=5 см при H=2,5 м. Капли воды от капельницы попадали на определенное место поверхности экрана, что облегчало условия регистрации. Размеры капель воды, получаемых от капельницы, и размеры капель, образующихся на экране при искусственном дожде, были примерно одинаковыми. Диаметр капель, имеющих полусферическую форму при отсутствии электрического поля, равен 4—5 мм.
Наблюдение проводилось в затемненном помещении при частоте 16,5 кГц. Среднее значение напряжения появления свечения на каплях, полученное по 10 и более измерениям, составляет 85 кВ. Дальнейшее повышение напряжения приводит к удлинению ветвей коронного разряда и усилению их яркости. Коронный разряд на каплях приобретал явно выраженную стримерную или кистевую форму. При напряжении 175 кВ коронный разряд на экране становился устойчивым и не зависел от образования и стекания новых капель. На рис. 4-25 приведена стилизованная картина (по результатам фотографирования) коронного разряда, возникшего в результате стекания капель воды при изменении напряжения на экране от 80 до 190 кВ.
Представляет интерес коронный разряд на каплях воды, которые расположены на поверхности электрода и на каплях, которые уже оторвались от электрода. Видно, что разряд существует с двух сторон капли: между каплей и электродом; с внешней стороны капли. Затем оба разряда практически соединялись, т.е. капля исчезала. Исчезновение капли согласно [75] происходило в том случае, когда электрические силы превосходили поверхностное натяжение капли, и тогда она распадалась на мельчайшие заряженные частицы воды. В [76] показано, что разрушение капли происходит при выполнении следующего соотношения: Е≥0,447√S/r, где Е — напряженность на поверхности электрода, кВ/см, 5 — поверхностное натяжение воды, дин/см, r — радиус капли, см. При радиусе капли r=2,5 см описанный механизм исчезновения капель вероятен при напряжении на поверхности электрода более 8,5 кВ/см. Возможен и другой механизм исчезновения капель в результате испарения воды в процессе их коронирования, поскольку температура в области коронирования согласно [77] при стримерной короне 400—600 К, а при кистевой короне 600—1000 К. При изменении напряжения от 100 до 120 кВ корона имела стримерную форму.
Помимо фотографирования коронного разряда, развивающегося с капель воды, осуществлялась киносъемка процесса развития короны. Киносъемка проводилась при плавном подъеме напряжения от 170 до 175 кВ. При анализе были отобраны кадры, на которых зафиксирована устойчивая корона, имеющая наименьшие линейные размеры свечения. На рис. 4-26 а показан отрезок кинопленки с четырьмя последовательными кинокадрами. Каждый кадр соответствует 300— 500 периодам переменного напряжения частотой 16,6 кГц или 2— 3 мс. На кадре 1 рис. 4-26,а зафиксирована кисть устойчивой короны наименьшей длины, которую удалось зарегистрировать. Кадры 2, 3 и 4 соответствуют устойчивой короне, размеры которой во много раз превосходят размеры неустойчивой короны.
Киносъемки высокочастотной короны производились и при плавном снижении напряжения на электроде вплоть до угасания и нового зажигания короны на каплях воды. Кинокадры, снятые при снижении напряжения, приведены на рис. 4-26,б, где кадр 3 соответствует короне минимальных размеров, которую удалось заснять, кадр 4 соответствует неустойчивой короне на каплях воды.
Анализ результатов фотографирования и фотосъемки развития коронного разряда на электроде с капель воды позволил установить следующее. Коронный разряд начинается на каплях воды при довольно низких напряжениях, что происходит в результате усиления электрического поля на каплях, которые можно рассматривать как микровыступы на поверхности электрода. С ростом напряжения происходит увеличение размеров и яркости ветвей коронного разряда на каплях в связи с ростом тока через канал короны, приводящим к повышению температуры в канале короны и вблизи него.
Сопоставление внешнего вида короны — неустойчивой на каплях (рис. 4-26 б, кадр 4), устойчивой (рис. 4-26 д, кадр 1) и короны, зафиксированной при угасании (рис. 4-26 б, кадр 1), дает возможность предположить, что преобразование неустойчивой короны на каплях в устойчивую на электроде происходит при минимальном напряжении, при котором возможно существование высокочастотной короны, соответствующем напряжению угасания.
Рис. 4-26. Кинокадры развития короны с капли воды на цилиндрическом электроде: а — корона устойчивая; б — корона затухающая
Рис. 4-27. Зависимость кратности напряжения угасания коронного разряда от диаметра цилиндрического коронирующей электрода
Возможность образования устойчивого высокочастотного коронного разряда на экране под дождем при напряжении значительно меньшем, чем начальное напряжение возникновения коронного разряда Uн, определяемое без учета влияния осадков, объясняется низким напряжением угасания высокочастотного коронного разряда другими словами, коронный разряд при напряжении высокой частоты может существовать при напряжениях меньших начального в диапазоне от Uн до Ur. Напряжение угасания в диапазоне частот 15—1500 кГц составляет 70—30% от начального и тем меньше, чем больше диаметр электродов. На рис. 4-27 приведена зависимость кратности напряжения угасания коронного разряда от частоты и размеров электродов. Снижение напряжения угасания коронного разряда в диапазоне частот от 15 до 1500 кГц объясняется нагревом воздуха в зоне коронирования и высокой температурой в канале разряда.
Значение напряжения, при котором происходит преобразование неустойчивой короны в устойчивый коронный разряд на электроде, т.е. напряжения возникновения и существования устойчивого коронного разряда при дожде Uн.y, должно удовлетворять следующим соотношениям
(4-8)
где Uн.к — напряжение на электроде, соответствующее возникновению коронного разряда на каплях; Ur — напряжение угасания (гашения) коронного разряда.
Напряжение возникновения короны на каплях определяется как формой и размерами капель, так и размерами электрода, с которого они стекают. Рассматривая каплю воды, как микровыступ, можно определить напряженность на его конце Ек=КуЕ0, где E0 — напряженность электрического поля при отсутствии выступа; Ку — коэффициент, характеризующий усиление электрического поля на капле, равный отношению максимальной напряженности на капле к напряженности внешнего поля. Напряжение на электроде, соответствующее зажиганию коронного разряда на каплях дождя Uн.к, должно определяться с учетом усиления напряженности электрического поля на некотором расстоянии от электрода, обусловленном размерами капли. В том случае, если напряженность электрического поля изменяется по степенному закону, выражение для Uн.к примет вид
Расчет коэффициента Ку для выступа, расположенного на электроде, имеющем цилиндрическую форму, был выполнен с помощью метода эквивалентных зарядов [19]. Проведенные расчеты показали, что если диаметр электрода в 8—10 раз превышает размеры капли, то коэффициент Ку, определенный для выступа, расположенного на цилиндрической поверхности, практически совпадает с коэффициентом Ку, определенным для выступа, расположенного на плоскости. Расхождение не превышает 10%. В связи с этим в качестве коэффициента Ку можно использовать приведенные в [15] значения коэффициента усиления электрического поля на выступе в виде полуэллипсоида вращения, расположенного на плоскости. На рис. 4-28 приведены значения коэффициента Ку в зависимости от размеров выступа.
Фотографии капель воды на экране показали, что капля действительно имеет вытянутую форму, при этом параметр t, т.е. высота капли перед началом коронирования равен примерно 1 см, а форма капли соответствует конусу с закругленной вершиной. В работах,
посвященных исследованию коронного разряда с капель воды [75, 76] также показано, что капли в электрическом поле имеют вытянутую форму, близкую к полуэллипсоиду вращения.
Рис. 4-28. Зависимость коэффициента усиления поля Ку на выступе от его размеров t/q; 1 — выступ на плоскости; 2 — выступ на цилиндрическом электроде
