В неоднородном поле возможен чисто стримерный пробой, описанный в п. 7.5.1. При сильной неоднородности поля и достижении критерия стримерного разряда возникает лишь частичный стабильный разряд или корона в ограниченной области с большой напряженностью поля.
Лишь при дальнейшем увеличении напряжения из зоны короны развивается разряд, приводящий к пробою промежутка. В этом случае обычно речь идет о чисто стримерном пробое, который, например, при больших расстояниях и импульсных напряжениях называется также лидерным пробоем. При больших плотностях тока в канале лидера играет роль термическая ионизация. Таким образом, пробой вызывают либо стримеры (стримерный пробой), либо лидеры (лидерный пробой). Следует различать также начальное и разрядное напряжения (рис. 7.30). Группой Ренардье [7.40—7.43] было всесторонне исследовано общее развитие разряда.
- Влияние полярности напряжения и объемного заряда
При частичном разряде в области заостренного электрода образуется объемный заряд. Образование заряда и его влияние на распределение поля и развитие разряда можно пояснить на примере промежутка между острием и плоскостью. Вследствие разных структур разряда и подвижностей электронов и ионов различно и взаимодействие основного поля и поля, созданного объемным зарядом, при разных полярностях острия, что объединяется в понятие эффекта полярности.
7.6.1.1. Положительная полярность острия.
Считая, что начальный электрон появился в результате естественного излучения, вблизи острия при положительной полярности напряжения, где Е>Е0 (α>η), возникает случайная лавина. Как только в этой области число электронов достигает Nкр, интенсивное излучение фотонов из области вблизи головки лавины будет вызывать все новые лавины и вблизи острия установится стабильный ЧР. Оптически этот разряд проявляется в виде слабого голубоватого свечения непосредственно у конца электрода, вызванного излучением фотонов.
Лавины развиваются по направлению к острию, т. е. в направлении к области с более высокой напряженностью поля. Число ионизаций и плотность положительных ионов при этом сильно возрастают. Так как электроны вследствие своей высокой подвижности быстро достигают анода и осаждаются на нем, то остающиеся в пространстве ионы образуют положительный объемный заряд. В результате напряженность непосредственно вблизи острия заметно уменьшается, а в пространстве между объемным зарядом и катодом увеличивается (рис. 7.31,а). Этим самым как бы укорачивается изоляционное расстояние и создаются благоприятные условия для развития пробоя.
Отрицательная полярность острия.
В этом случае начальные электроны создаются прежде всего за счет эмиссии с катода. Они движутся в направлении ослабевающего поля.
Рис. 7.31. Распределение поля в промежутках стержень — плоскость при положительной (а) и отрицательной (б) полярностях напряжения:
1 — без учета поля объемного заряда; 2 — с учетом поля объемного заряда
Рис. 7.32. Переход от разрядов Тричела к непрерывной короне при различных напряжениях U в промежутке острие — плоскость (s=2 см; азот со слабыми примесями кислорода; давление 0,8-105 Па)
Максимум ионизаций несколько удален от электрода, но находится все еще в критической области, где E>E0 (а>η). Если лавина при своем развитии в этой области приобретает критическое число электронов Nкр, то образуется разряд под действием фотоизлучения из ее головки и устанавливается стабильный лавинный разряд. Электроны быстро уходят в область слабого поля, где Е<Е0, и в случае электроотрицательного газа прилипают к молекулам, образуя в межэлектродном пространстве отрицательные ионы (в воздухе — отрицательные ионы кислорода).
Возрастание отрицательного объемного заряда приводит к тому, что изменяется поле вблизи острия и ЧР прекращается. Частичный разряд появляется вновь после ухода из промежутка отрицательных ионов к аноду, когда напряженность поля снова становится достаточной для появления лавин, и возникают так называемые импульсы Тричела (рис. 7.32). При возрастании напряжения скорость движения отрицательных ионов становится выше, растет частота импульсов Тричела. Если отсос ионов компенсируется их образованием, разряд становится
стабильным.
В чистых инертных газах и азоте прилипание невозможно, и поэтому в них не наблюдается импульсная форма ЧР.
Положительный заряд в непосредственной близости у острия существенно усиливает поле. У анода напряженность поля несколько увеличивается (рис. 7.31,6). В общем случае поле в промежутке выравнивается, а разрядное напряжение увеличивается. Поэтому
(7.161)
При переменном напряжении полупериод с положительной полярностью является определяющим, причем пробой наступает в момент максимального значения напряжения. В результате
(7.162)
Стримерный разряд
Пробой промежутков с неоднородным полем развивается в виде стримерного разряда из области ЧР (см. рис. 7.30). Механизм формирования стримера принципиально такой же, как и в однородном поле (см. п. 7.5.1).
Рис. 7.33. Развитие положительного стримера [7.44]:
1 — головка стримера; 2 — канал стримера; 3 — фотоны; 4, 5 — лавины; 6 — новая головка стримера
Однако вследствие больших градиентов напряжения он имеет некоторые особенности. Имеется принципиальное различие между положительными и отрицательными стримерами, причем полярность более острого электрода определяет и полярность стримера.
7.6.2.1. Положительный стример.
В критической области вблизи заостренного электрода с положительной полярностью, где Е>Е0, сначала развивается в направлении к электроду лавина, вызванная начальным электроном. Начальный электрон появляется в газовом промежутке в результате естественного излучения. Если в лавине достигается критическое число электронов, электрическое поле перед головкой и в хвосте лавины искажается, как это показано на рис. 7.14. Это приводит, как и при стримерном механизме в однородном поле, к интенсивному излучению фотонов. В области за хвостом лавины могут возникнуть новые критические лавины, вызванные фотонами, если основное поле искажено объемным зарядом в такой степени, что в этой зоне имеется достаточно высокая напряженность поля. Лавины движутся к области положительного объемного заряда, оставшегося от начальной лавины, электроны в головках вторичных лавин нейтрализуют объемный заряд первой лавины, оставляя за собой положительный объемный заряд, который образует головку стримера.
На рис. 7.33 показано дальнейшее развитие стримера. Вокруг заряженной головки стримера 1 имеется зона активной ионизации, ограниченная поверхностью, где Е=Е0(а=η). Фотоэлектроны 3 в этой области вызывают лавины 4, 5, возникающие концентрически вокруг головки стримера. Поступающие в головку электроны нейтрализуют имеющийся там объемный заряд и оставляют за собой новую зону 6 с положительным объемным зарядом. Таким образом процесс повторяется.
Сзади лавины остается примерно нейтральный слабо проводящий канал 2. В нем напряженность поля понижена и отсутствуют ионизационные процессы. Стример прорастает в промежутке между электродами, пока напряженность основного поля с полем объемного заряда головки остается достаточной для создания новых лавин. Для этого требуется определенное внешнее поле
, при котором стример еще может развиваться дальше.
Для сухого воздуха экспериментально определена Eg min=4 кВ/см [7.45]. Предельная длина стримера возрастает с увеличением степени однородности поля. Средний градиент стримера примерно равен Eg min и составляет 4—5 кВ/см. Скорость развития стримеров составляет десятки сантиметров в микросекунду [7.46].
7.6.2.2. Отрицательный стример.
При заостренном катоде эмитируемый с его поверхности электрон может явиться началом возникновения лавины. Лавина развивается в направлении от электрода, где напряженность поля падает. Отрицательный заряд головки лавины повышает напряженность в промежутке до такого значения, что может образоваться активная зона с E>E0. Если в первой лавине число электронов достигло критического, то прежде всего под действием фотонов в активной зоне создаются новые лавины, положительный заряд хвостов которых нейтрализует отрицательный заряд головки первой лавины. Заряды головок новых лавин образуют отрицательный заряд головки стримера.
Так как головка стримера состоит в основном из электронов с высокой подвижностью, то за счет диффузии она расширяется в соответствии с (7.21) гораздо быстрее, чем головка положительного стримера. Это приводит к меньшей плотности заряда и меньшему усилению поля. Напряженность основного поля, необходимая для развития отрицательного стримера, существенно выше и равна 13—18 кВ/см [7.47]. В отрицательном стримере также выше градиент напряжения, чем в положительном, и составляет 7—10 кВ/см [7.46]. Скорость прорастания отрицательных стримеров меньше, чем положительных, хотя и имеет тот же порядок.
7.6.3. Лидерный разряд
Как уже упоминалось, лидерный разряд возникает обычно при больших расстояниях между электродами и импульсном напряжении. Он оказывает в этих условиях большое влияние на характеристики пробоя.
Так как при положительной полярности острия разрядное напряжение существенно ниже, чем при отрицательной, выбор изоляционных расстояний устройств и приборов высокого напряжения производится по условиям отсутствия развития в них положительных лидеров. Поскольку такие лидеры имеют решающее значение, они исследованы подробно в [7.40— 7.43].
Рис. 7.34. Развитие лидера [7.44]:
1 — канал лидера; 2 — головка лидера; 3 — лидерная корона; 4 — головки стримеров короны;
5 — граница зоны ионизации
Принципиальная структура положительного лидера представлена на рис. 7.34. Он состоит из лидерного канала 1, головки 2 и зоны короны 3. В канале диаметром dL имеет место относительно большая плотность тока, следствием чего является высокая температура газа TG, приводящая к термической ионизации. Поэтому в канале плотность носителей заряда велика, причем число электронов и положительных ионов примерно одинаково, а градиент напряжения EL лидерного канала сравнительно невелик. Типичными параметрами лидерного канала длиной несколько метров в воздухе являются следующие [7.41]: iL=0,6-1 A; EL≈1,5 кВ/см; мм; TG≈5000 °C.
Решающим условием для развития лидера служит подвод энергии за счет лидерного тока iL, чтобы поддерживать температуру, необходимую для термической ионизации газа. Подвод тока производится за счет зоны короны 3 через головку лидера. Корона занимает сферическое пространство от конца лидера до границы зоны ионизации 5, где E=E0 (f=η). Это пространство занято стримероподобными разрядами 4, которые развиваются с головки лидера, меняющей свое положение.
В лидерном канале согласно модели Галлимберти [7.48] отсутствует термическое равновесие между электронами и газом. Возникшие в зоне короны в результате ударных процессов электроны с высокой энергией при поступлении в канал отдают там свою энергию при соударениях с молекулами газа. При этом сначала возбуждаются колебания молекул, а затем эта энергия колебаний с некоторой постоянной времени переходит в тепловую. В результате в течение 20—30 мкс температура газа сильно возрастает. За счет увеличения степени термической ионизации происходит снижение напряженности поля в канале. Постепенное снижение среднего градиента в канале от начального напряжения 5 кВ до 1—1,5 кВ/см экспериментально подтверждено [7.42] и, несомненно, объясняет сравнительно невысокие средние разрядные напряженности при больших расстояниях между электродами. Наряду с этим малые градиенты определяют влияние формы импульса напряжения на лидерный разряд и благоприятствуют развитию лидера. Падение напряжения в лидере при его прорастании оказывается не столь большим вследствие снижения градиента.
Детальный механизм возникновения лидеров остается все еще неисследованным, существуют лишь некоторые гипотезы. Во всяком случае, предпосылкой для возникновения лидера является достижение определенной плотности тока в месте его возникновения, повышающей температуру газа. Повышение температуры приводит к снижению плотности газа, в результате возрастает энергия электронов и вероятность ударной ионизации. Кроме того, более высокая тепловая энергия вызывает распад отрицательных ионов с прилипшими электронами и снижается коэффициент прилипания.
Стримерный разряд в технических устройствах
Развитие разряда и его форма в значительной степени зависят от вида напряжения и конфигурации электродной системы и оказывают существенное влияние на электрическую прочность технических конструкций.
Важнейшие стадии развития стримерного разряда рассмотрены в п. 7.6.2. Достижение критической начальной напряженности Ее при соответствующем напряжении Ue вызывает начальные разрядные явления. В частности, при постоянном и переменном напряжении это приводит к возникновению объемного заряда (см. п. 7.6.1), что стабилизирует процесс и замедляет или даже препятствует возникновению стримеров. Однако при коммутационных и грозовых импульсах влияние объемного заряда, созданного начальными процессами, на искажение поля несущественно в связи с возрастанием напряжения. В определенном интервале времени непрерывно возникают стримеры, прорастающие к противоположному электроду при нарастающем напряжении.
Длина стримеров возрастает с увеличением степени однородности поля. В однородном или квазиоднородном поле технических устройств обычно стример перекрывает весь промежуток. В промежутках стержень — плоскость с расстоянием между электродами до 1 м при всех видах напряжений (коммутационном и грозовом импульсах, постоянном и переменном напряжении с частотой 50 Гц) имеет место только стримерный пробой. Стример пересекает промежуток прежде, чем разовьется лидер, так как оказывается недостаточной плотность тока у основания стримера.
При больших длинах сохраняется чисто стримерный или почти стримерный разряд только при грозовом импульсе (1,2/50 мкс) и постоянном напряжении. В случае импульсного напряжения время воздействия слишком мало и недостаточно для образования лидера. В крайнем случае у электрода высокого напряжения образуется лидер, но он пересекает лишь незначительную часть промежутка, что не оказывает влияния на электрическую прочность промежутка. Поэтому независимо от расстояния между электродами определяющим является стримерный разряд. При постоянном напряжении также не может образоваться лидер, так как затруднены условия его развития. В этом случае также независимо от расстояния между электродами наблюдается стримерный разряд, причем в зависимости от степени однородности поля до возникновения лидера формируется стабильный объемный заряд (см. п. 7.6.1).
Используя градиент напряжения в стримере, запишем 50%-ное пробивное напряжение промежутка стержень — плоскость в следующем виде:
(7.163)
При грозовом импульсе и постоянном напряжении можно принять Es=4-5 кВ/см для положительной полярности и Es=7-10 кВ/см для отрицательной полярности напряжения. При s≤l м эти значения напряженностей справедливы для коммутационных импульсов и переменных напряжений промышленной частоты
от
до 60 Гц. В случае переменного напряжения пробой происходит в положительный полупериод. Поэтому в выражение (7.163) следует подставить Es=4-^-5 кВ/см, причем Udw представляет собой максимальное значение напряжения.
Разброс разрядных напряжений, зависящий от конфигурации электродов и формы импульса напряжения, является следствием ожидания появления эффективного электрона для развития первой лавины с A7>A7Kp и последующего формирования стримера. Обычно разряд в газах характеризуется распределением разрядных напряжений по закону Гаусса. Стандарт отклонения этого распределения при чисто стримерном разряде составляет 1—2% среднего значения.
Способы расчета характеристик разряда и разбросов разрядного напряжения рассмотрены в § 7.7. Гораздо большие разбросы наблюдаются при лидерном пробое.
