Глава третья
РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА
3-1. Запаздывание разряда
Запаздывание разряда заключается в том, что при приложении напряжения разряд возникает не тотчас после выполнения условия самостоятельности разряда, а по истечении некоторого времени tз, называемого временем запаздывания. Время запаздывания складывается их двух основных составляющих — статического времени ожидания tст и времени формирования разряда tф.
Первая из них равна промежутку времени от момента, когда напряженность поля достигает критического уровня, до момента появления по крайней мере одного подходящим образом локализованного свободного электрона, способного инициировать разряд. Свободные электроны могут возникать в результате естественной внешней ионизации под влиянием космических лучей и радиоактивных изотопов земной коры. В электроотрицательных газах, в том числе и в воздухе, появление свободного электрона может быть результатом развала отрицательного иона. Наконец, свободные электроны могут быть созданы искусственно, например, облучением газа или поверхности электрода (катода) коротковолновым излучением. В последнем случае, подбирая интенсивность облучения, можно статистическое время запаздывания свести практически к нулю. Эксперимент по измерению времен запаздывания разряда дает в таких условиях непосредственную информацию о процессах формирования разряда, так как фактически измеряется tф.
Временем формирования определенной формы разряда называется длительность разрядного процесса, необходимая для его установления. В зависимости от вида электродной системы и рода газа развитие разряда может пройти через несколько отчетливо различимых форм или стадий разряда. Например, исследуя установление ВЧ дуги в сильнонеоднородном поле промежутка острие—плоскость в воздухе при условиях, близких к нормальным атмосферным, можно следить за последовательным формированием стримера, развитием пробоя и образованием дуги. Следовательно, наряду со временем формирования дуги можно в том же разряде выделить и времена формирования как стримера, так и пробоя.
Статистическое время запаздывания tст зависит от многих факторов, определяющих скорость появления инициирующих разряд свободных электронов [6, 44]. Такими факторами являются, например, род, давление и температура газа, концентрация в нем электроотрицательных примесей (в том числе влаги), форма и материал электродов, состояние их поверхности, род и интенсивность дополнительного ионизирующего излучения, значение приложенного напряжения.
Время формирования разряда, так же как и время статистическою запаздывания, относится к стохастическим характеристикам разряда. Оно наиболее чувствительно к изменениям перенапряжения и уменьшается с ростом перенапряжения. В случае ВЧ разряда под перенапряжением подразумевается здесь и в дальнейшем величина
(3-1)
где Um — приложенное ВЧ напряжение и Uн — напряжение зажигания (пороговое напряжение) ВЧ разряда при непрерывном ВЧ напряжении (амплитудные значения).
Изучение запаздывания разряда важно и для понимания физики разряда, и для оценки электрической прочности изоляционных конструкций при воздействии динамических перенапряжений. К сожалению, пока отсутствует модель формирования ВЧ разряда, которая позволила бы получать удовлетворительное согласие между расчетными и экспериментальными значениями tф.
Времена запаздывания ВЧ разряда в воздухе при нормальных атмосферных условиях для слабонеоднородных полей промежутка шар—шар приведены в работе [1]. Стальные полированные шары имели диаметр 50 мм, а длина промежутка изменялась от 3 до 8 мм. Электроды облучались ультрафиолетовым излучением ртутной лампы. Средние времена запаздывания, измеренные при малых перенапряжениях (точные значения не указаны), составляли несколько миллисекунд. Утверждается, что увеличение длины промежутка выше первой критической сопровождается ростом времени запаздывания.
Исследование статистических характеристик зажигания ВЧ разряда в однородном поле проведено на установке, схема которой представлена на рис. 3-1 [45]. Разрядный промежуток был образован плоскими электродами Роговского диаметром 93 мм. Расстояние между электродами измерялось с точностью 0,01 мм. Импульсное напряжение от ВЧ генератора с выходной мощностью 5 кВт подводилось к нижнему электроду, а верхний электрод был заземлен.
Рис. 3-1. Экспериментальная установка для исследования формирования ВЧ разряда
ВЧ напряжение на электродах регистрировалось и измерялось (с погрешностью не более 5%) осциллографически с помощью делителя. К электродам подводилось также небольшое напряжение (±50 В), чтобы к моменту прихода очередного ВЧ импульса напряжения устранить из промежутка заряженные частицы, оставленные там предыдущим разрядом.
Начальные электроны зарождались в результате облучения одного из электродов азотным лазером (длина волны 337 нм, длительность колоколообразного импульса на полувысоте 7 нс, энергия в импульсе 5·10-5 Дж). Для этого в центре верхнего заземленного электрода имелось отверстие диаметром 0,5 мм. Энергия лазерного импульса, попадавшая в заданный момент времени через это отверстие на противолежащий электрод, оценивалась равной примерно 10-6 Дж при плотности энергии 10-5 Дж/мм2. Лазер запускался после выхода ВЧ напряжения на стационарный уровень. Время формирования разряда tф, как интервал между лазерным импульсом, инициирующим начальные электроны, и первым световым импульсом разряда, регистрировалось с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ и запоминающего осциллографа.
Измерения были проведены при двух частотах ВЧ напряжения — 10 и 20 МГц. Расстояние L между электродами было выбрано равным 4 мм, исходя из расчета, что в этом случае частота 10 МГц лежит выше первой, но ниже второй критической, а частота 20 МГц остается выше второй критической. Частота следования импульсов ВЧ напряжения была равна 5 Гц, в некоторых контрольных опытах 0,5 Гц.
Пороговые напряжения пробоя, измеренные при лазерном инициирующем излучении и без него, совпадали. Это свидетельствует об относительно малом количестве начальных электронов, созданных лазерным импульсом. Кроме того, вероятность F возникновения ВЧ разряда при лазерном инициировании лишь немного превышала рубеж 50% даже при перенапряжениях 40—50% (рис. 3-2). Это объясняется тем, что лазерный импульс не был жестко связан с определенной фазой ВЧ напряжения, а в инициировании определяющую роль играли электродные процессы; лазерное излучение наиболее действенно, когда электрод — мишень находится под отрицательным потенциалом.
На вероятность возникновения ВЧ разряда наиболее сильно влияет величина перенапряжения (рис. 3-2, кривые 1 и 2). Каждая точка на представленных кривых получена в результате 1000 испытаний при давлении воздуха р=1,01х105 Па и температуре T=293К. Относительно большой разброс вероятности пробоя, зарегистрированный в разных сериях опытов, не позволил надежно выяснить зависимость ее от частоты ВЧ напряжения Однако заметный рост вероятности пробоя был обнаружен при увеличении абсолютной влажности воздуха. Зависимости наиболее вероятных времен формирования ВЧ разряда от перенапряжения для обеих рабочих частот приведены также на рис. 3-2 (кривые 3 и 4). Стандартные отклонения результатов показаны на графике вертикальными отрезками. Если при перенапряжениях более 5% кривые практически совпадают, то при меньших перенапряжениях для меньшей частоты tф на порядок больше. Когда перенапряжение достигает 45—50%, время формирования разряда становится равным длительности полупериода ВЧ напряжения.
Сравнение времен формирования пробоя при постоянном и ВЧ напряжениях показывает, что в первом случае, особенно при малых перенапряжениях, tф значительно меньше. Так по данным работы [46] в промежутке с однородным постоянным полем при L=4 мм и КU=0,2% время формирования пробоя равно 7 мкс. Увеличение перенапряжения до нескольких десятков процентов ведет к уменьшению tф примерно до 10 нс [6].
В (1] представлены результаты измерения времен запаздывания для промежутков острие — плоскость длиной l=40 и 50 мм (рис.3-3). Параметры острия не приведены. Испытания промежутка L=40 мм, облучаемого ультрафиолетовым светом, проводились при частоте f=100 кГц. Необлученный промежуток L=50 мм испытывался при частотах 11, 32 и 98 кГц. Время tр измерялось как время от момента включения напряжения до момента пробоя. При этом времена установления ВЧ напряжения находились в интервале от 0,5 до 5 мс, а перенапряжения изменялись приблизительно от 5 до 40%. Как и для промежутков с однородным полем, времена запаздывания разряда в промежутках с сильнонеоднородным полем значительно уменьшились с увеличением перенапряжения. Существенное уменьшение времен запаздывания, соответствующих заданному значению разрядного напряжения, наблюдалось с ростом частоты f.
Вольт-секундные характеристики широко используются в инженерной и исследовательской практике для описания электрической прочности и разработки рациональной защиты изоляции высоковольтных устройств при воздействии импульсных напряжений. Результаты исследований и разработок достаточно подробно освещены в литературе [41—43], но в случае импульсных ВЧ напряжений (радиоимпульсов) особого внимания требуют некоторые специфические моменты. Прежде всего следует иметь в виду, что для заданного разрядного промежутка вид вольт-секундных характеристик пробоя зависит от формы импульса напряжения. Поэтому при определении импульсных пробивных характеристик электрооборудования пользуются стандартными импульсами, допустимый разброс параметров которых строго регламентирован международными соглашениями.
Относительно радиоимпульсов подобная стандартизация отсутствует. К тому же ситуация усложняется тем, что на выходе ВЧ генератора обычно стоит резонансный контур. Возникновение ВЧ разряда в испытуемом промежутке может привести к сильному изменению параметров этого контура и, как следствие, к существенным изменениям формы радиоимпульса уже задолго до наступления пробоя. При этом в зависимости от настройки выходного резонансного контура, возникновение ВЧ разряда может сопровождаться по мере развития разряда как спадом, так и ростом ВЧ напряжения. Для ВЧ испытаний, вероятно, наиболее целесообразно использовать генератор прямоугольных радиоимпульсов с низким коэффициентом добротности, обеспечив в эксперименте текущий контроль за формой импульсов.
Генератор прямоугольных радиоимпульсов, обеспечивающий длительность фронта в один период ВЧ напряжения, применялся в работе [47] для измерения времени запаздывания зажигания ВЧ разряда в промежутке острие — плоскость при частоте 7,6 МГц. В качестве острия использовался цилиндрический стержень с полусферической вершиной. Диаметр стержня d=1 мм, расстояние между электродами L=40 мм. Радиоимпульсы, повторяющиеся с частотой 15 Гц, имели амплитуду 6,9 кВ, что на 8% выше порога разряда при непрерывном ВЧ напряжении.
Время запаздывания измерялось в необлученном промежутке как время между началом радиоимпульса и первым разрядным импульсом (стримером), регистрируемым фотоэлектронным умножителем. На рис. 3-4 представлено полученное распределение времен запаздывания (кривые Лауэ) в виде
, где t3 — время запаздывания, п — общее число испытаний, nt — число испытаний, в которых время запаздывания разряда превышает t3.
В диапазоне относительно небольших времен запаздывания разряда (8—13 мкс) следует учитывать, что в условиях описанного эксперимента взаимная независимость разрядов не обеспечивалась. Сами авторы предполагают, что ионы от предыдущего разряда, осевшие на острие, обусловливают возникновение начальных электронов. Если предположить, что начальные электроны могли появиться немедленно после включения ВЧ напряжения, то по рис. 3-4 можно оцепить, что время формирования одноэлектродного ВЧ разряда в данных условиях равно примерно 8 мкс.
Относительно ВЧ разряда употребляется термин «одноэлектродный», когда разрядные явления происходят лишь вблизи одного электрода. Типичным одноэлектродным разрядом является разряд с острия до перекрытия промежутка. В дальнейшем этот термин используется именно в таком смысле.
Рис. 3-4. Распределение времен запаздывания ВЧ разряда в промежутке острие — плоскость, d=l мм, L= 40 мм
Время формирования одноэлектродного ВЧ разряда измерялось в работе [48] для частот 0,15, 0,68 и 1,4 МГц в промежутках острие — плоскость длиной 40 мм. В качестве острий использовались цилиндрические стержни диаметром 1 и 2 мм. Вершины острий имели форму полусферы. Начальные электроны создавались в отрицательный полупериод в максимуме ВЧ напряжения облучением вершины острия светом искрового разряда. В экспериментах измерялся промежуток времени между инициирующей начальные электроны искрой и первым коронным импульсом (стримером или импульсом Тричела).
Времена формирования tф одноэлектродного разряда, измеренные в зависимости от перенапряжения, представлены на рис. 3-5. Горизонтальной штриховой линией отмечена длительность полупериода ВЧ напряжения. Из рисунка видно, что при перенапряжениях менее 0,7 % время tф>>2 мс, что соответствует нескольким тысячам и более периодов приложенного ВЧ напряжения. При увеличении перенапряжения до 5% и выше значение tф становится примерно равным полупериоду Т/2 ВЧ напряжения, т. е. разряд в виде коронного стримера или импульса Тричела возникает в следующий положительный полупериод за инициирующей начальные электроны вспышкой излучения. Исследования фототока разряда при небольших перенапряжениях показали, что возникновению стримера или импульса Тричела предшествуют слабые так называемые предразрядные импульсы, характеризующие процесс накопления объемного заряда вблизи острия. Число предразрядных импульсов уменьшается быстро с увеличением перенапряжения и уже при КU=3% они практически не регистрируются.
Выше время формирования ВЧ разряда определялось как время от момента появления инициирующего разряд свободного электрона до момента регистрации (фотоэлектрическими методами) первого светового импульса в разряде. Время, требующееся для формирования в неоднородных полях стационарных форм ВЧ разряда (ВЧ короны, факельного разряда, ВЧ дуги), значительно больше и может измеряться секундами.
