7.6.5. Лидерный разряд в технических устройствах
7.6.5.1. Пространственно-временная структура разряда.
В устройствах типа стержень — плоскость с расстоянием между электродами более 1 м при коммутационном импульсе и переменном напряжении образуется лидер, который и приводит к пробою. При положительной полярности напряжения стержня наблюдается наименьшая прочность, если время нарастания коммутационного импульса равно Ткр.
Рассмотрим сначала протекание разряда в этом случае. Следует различать три стадии развития разряда: первую фазу коронного разряда, фазу развития лидера 2—3 и фазу пробоя 4 или финальную стадию (рис. 7.35,в).
Рис. 7.35. Картина разряда в промежутке стержень — плоскость с расстоянием между электродами 10 м при критическом импульсе 500/10 000 мкс с амплитудой 1760 кВ [7.44]:
а — импульс напряжения с длительностью до пробоя Тк; б — отдельные картины разряда с экспозицией 10 мкс [7.49]; в — схематическое пространственно-временное представление развития разряда; г — разрядный ток на стороне высокого потенциала
При превышении напряжения Ue, когда вблизи стержня возможно образование критических лавин с некоторым запаздыванием, определяемым в основном статистическим временем ожидания начального электрона, в момент при напряжении Ui возникает коронный разряд, который, как и корона перед головкой лидера, представляет собой разветвленные мелкие стримерные каналы, распространяющиеся от конца электрода в окружающее пространство. Стримеры простираются до границы, где напряженность основного поля равна граничному значению Eg min=4 кВ/см, необходимому для их развития. Размер стримерной зоны зависит от степени однородности поля. При малых расстояниях между электродами или когда поле близко к однородному, стримеры коронного разряда распространяются до противоположного электрода и имеет место чисто стримерный пробой (см. п. 7.6.4).
В других случаях стримерный разряд охватывает только часть промежутка.
Из-за положительного объемного заряда головки стримера напряженность поля непосредственно у электрода снижается, и поэтому развитие разряда приостанавливается. Лишь после того как нарастающее напряжение создает необходимую напряженность поля, возникает новый коронный разряд, продвигающийся в промежуток, при этом длина стримеров увеличивается. В момент Τ1 возникает лидер у стержня и начинается вторая стадия развития разряда.
Лидерный канал развивается в промежутке, как описано в п. 7.6.3, причем направление его развития может сильно отклониться от направления силовых линий основного поля.
Измерения, проведенные при рассматриваемых здесь критических коммутационных импульсах, показали, что средняя скорость прорастания лидера и ток, обусловленный расположенной впереди него короной, постоянны. Это позволяет сделать вывод о постоянстве потенциала головки лидера. Благоприятные условия развития лидера имеют место в том случае, если возрастание приложенного к промежутку напряжения и изменение во времени среднего градиента напряжения в лидере вследствие процессов обмена энергии (см. п. 7.6.3) компенсируют падение напряжения в канале лидера.
Кратковременные и слабо светящиеся вспышки 5 лидера и соответствующие им импульсы тока 6 (рис. 7.35,в, г) свидетельствуют о ступенчатом характере распространения зоны короны лидера. Это явление происходит, как правило, с изменением направления прорастания лидера, при котором, вероятно, стримеры короны быстро занимают новый объем пространства перед головкой лидера, что в свою очередь напоминает возникновение первого коронного разряда у электрода.
Если стримеры короны головки лидера в момент Tfj достигают противоположного электрода 4, то наступает заключительная фаза пробоя, и в момент пробоя Td возникает сквозной плазменный канал с высокой электропроводностью. Развитие процессов в финальной стадии зависит в значительной степени от параметров разрядного контура.
Относительно невысокие градиенты напряжения в канале лидера приводят к сравнительно низкой электрической прочности при лидерном пробое. Естественно, такой пробой возникает лишь тогда, когда имеются предпосылки для его возникновения и условия для его развития.
Способы расчета лидерного пробоя.
Как уже упоминалось, при коммутационном импульсе с критическим временем нарастания Ткр создаются для развития лидера оптимальные условия. (В этом случае потенциал головки и скорость прорастания лидера постоянны.)
Если время нарастания импульса Тс меньше критического, то в начальной стадии высоки градиенты в лидере, обусловленные процессами обмена энергии (см. п. 7.6.3), а затем, при спаде напряжения, потенциал головки лидера остается относительно невысоким, условия прорастания лидера становятся неблагоприятными и разрядное напряжение оказывается более высоким.
Рис. 7.36. Влияние времени нарастания импульса напряжения Тс на разрядное напряжение промежутка стержень — плоскость (s=4 м) [7.46]. На вынесенных графиках показаны изменения напряжения на промежутке U и потенциала головки лидера UL (при падающем UL имеет место ступенчато развивающийся лидер)
Если время нарастания превышает критическое, то падение напряжения в лидере не компенсируется возрастанием приложенного к промежутку напряжения, и потенциал головки падает. Прорастание лидера замедляется, что в конце концов и приводит к ступенчатому развитию лидера. Оптимальные условия прорастания лидера не соблюдаются, и поэтому разрядное напряжение вновь возрастает.
Этим объясняется минимальная электрическая прочность при коммутационных импульсах с длительностью подъема, равной Ткр (U-образная кривая на рис. 7.36). Так как такие импульсы встречаются на практике, то они являются определяющими при выборе изоляционных расстояний.
Минимум вольт-секундной характеристики зависит от расстояния между электродами s и смещается в сторону меньших времен при сокращении s.
Максимальное 50%-ное разрядное напряжение, МВ, и Ткр промежутков стержень — плоскость, мкс, при положительной полярности рассчитываются по следующим эмпирическим формулам, справедливым при расстоянии между электродами от 2 до 15 м [7.50, 7.511:
Для определения изоляционных расстояний электротехнических устройств и воздушных линий электропередачи учитывают коммутационный импульс с критическим временем нарастания, при котором имеют место оптимальные условия развития лидера. Для этого случая в [7.46, 7.52] разработана
методика расчета электрической прочности в любых устройствах.
Напряжение появления лидера считается равным начальному напряжению Ue, при котором возникает корона. Это справедливо, если неоднородность поля не слишком велика, а стримеры короны прорастают в промежуток достаточно далеко и обеспечивают необходимую для образования лидеров плотность тока у опорной точки стримеров короны. В случае сферического или цилиндрического электродов их радиус должен быть больше критического. Напряжение появления лидера Ui в этом случае определяется с использованием формулы (7.119) для начальной напряженности стримерного разряда, причем при расчете электростатического поля учитывается радиус электрода R.
Если радиус электрода меньше критического, то лидер появляется с запаздыванием, при этом образуется вокруг сферического электрода облако объемного заряда. Если в результате устанавливается распределение электрического поля, соответствующее сфере или цилиндру с критическим радиусом, то стримеры распространяются на достаточное расстояние и создаются условия для возникновения лидера.
При определении напряжения возникновения лидера играет решающую роль конфигурация облака объемного заряда, которое необходимо заменить сферой или цилиндром с критическим радиусом.
Для различных промежутков критические радиусы определяются по следующим формулам:
(7.166)
где 7?ск=38 см; RcL=3,7 см; sK=5 cm; sl=1 м.
Если рассматривать случай оптимального развития лидеров (минимум вольт-секундной характеристики), то потенциал головки лидера
(7.167)
В финальной стадии остаточная часть промежутка между головкой лидера и противоположным электродом перекрывается стримерами с градиентом Es. Длина лидера, см, в момент пробоя
(7.168)
При промежуточных значениях R значение σ определяется путем интерполяции.
Этот способ расчета, основанный на физических процессах разряда, распространяется на широкое семейство электродных систем. Его можно использовать и для расчета разрядных переменных напряжений частотой 50 Гц, если разряд происходит в положительный период, т. е. как при коммутационном импульсе с временем нарастания 5 мс.
Недостатком метода является относительно большой объем вычислений. Поэтому используются многочисленные приближенные формулы, одна из которых, наиболее надежная, выглядит следующим образом:
(7.178) где
—50%-ное разрядное напряжение промежутка стержень — плоскость.
В этой формуле 50%-ное разрядное напряжение любой электродной системы получается из электрической прочности системы стержень — плоскость, причем геометрические особенности системы учитываются коэффициентом промежутка k.
Формулу (7.178) можно использовать при критическом коммутационном импульсе, причем для определения
=
—Udmin и при заданном s справедливы формулы (7.164) и (7.165). Значения коэффициента k для различных систем приведены в табл. 7.8.
Таблица 7.8. Коэффициент k для различных электродных систем [7.54]
