_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети

• Название: Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
• Анкор: _Полный курс ТВН (1).doc
• Дата: 12.10.2017
• Размер: 1.34 Mb.
• Имя файла: _Полный курс ТВН (1).doc
• Тип: Конспект лекций; #9303
• страница: 3 из 10

1.4.3.Разряд в резко неоднородном поле. Влияние полярности
В однородных полях при напря­жении меньше разрядного иониза­ция в промежутке практически от­сутствует.

Начальная лавина в однородном поле развивает­ся практически при отсутствии объемного заряда. Приблизительно такие же условия имеют место и в слабо неоднородном поле. В резко неоднородных полях условия развития разряда совершенно другие.

Рассмотрим промежуток острие (стержень) — плоскость, являющий­ся характерным примером резко неоднородного поля. Предварительная ионизация в этом промежутке будет развиваться в области наиболее сильного поля, т. е. у стержня, а искажения поля создаваемыми при этом объемными зарядами бу­дут различными при положитель­ной и отрицательной полярностях стержня.
При положительной полярности стержня (рис. 4,а) образовавшийся в промежутке электрон, двигаясь к стержню и попадая в область



Рис. 4 Искажение напряженности поля в промежутке положительный стержень — плоскость в стадии несамостоятельного разряда.
сильного поля, начинает ионизировать и образует лавину электронов. Если напряжение между электродами возрастает медленно, то еще до образования короны (до выполне­ния условия самостоятельности раз­ряда) в промежутке может образо­ваться достаточно большое число таких лавин. Когда каждая из этих лавин доходит до стержня, электро­ны лавины уходят на электрод, а положительные ионы остаются в пространстве, медленно переме­щаясь к противоположному элек­троду. Таким образом, вблизи стержня создается положительный объемный заряд, как это показано на рис. 4 б, где направление на­пряженности внешнего поля Е и поля объемных зарядов Е_ОБ показа­но стрелками. Присутствие положи­тельного объемного заряда умень­шает поле вблизи стержня и не­сколько усиливает его во внешнем пространстве (рис. 4, в). Поэтому


Рис 5. Искажение напряженности поля в промежутке отрицательный стержень —

плоскость в стадии несамостоятельного разряда.
дальнейшая ионизация вблизи стержня ослабляется, а это затруд­няет выполнение условия самостоя­тельности разряда, т. е. образование короны,

При отрицательной полярности стержня (рис.5, а) образованные на поверхности катода электроны сразу попадают в сильное поле и образуют лавины, двигающиеся к плоскости. Когда электроны лавин выходят из области сильного поля, они перестают осуществлять иони­зацию и с постепенно уменьшающейся скоростью летят к аноду. Часть из них долетает до анода и там нейтрализуется, а другая часть захватывается атомами кислорода с образованием отрицательных ионов, после чего скорость переме­щения отрицательных зарядов к аноду резко уменьшается. Поло­жительные ионы лавин постепенно уходят на стержень, но так как скорость их относительно мала, в непосредственной близости от стержня всегда имеется положительный
объемный заряд. Таким образом вблизи стержня имеется весьма компактный положительный объемный заряд, а в глубине промежутка — рассеянный отрицательный заряд. В силу своей малой плотности объемный отрицательный заряд не оказывает существенного влияния на внешнее поле, а положительный
объемный заряд искажает его так как показано на рис. 5в кривая 2. Напряженность поля вблизи стержня возрастает, и выполнение условий самостоятельности разряда облегчается.

Из сделанного анализа следует что напряжение возникновения короны в промежутке стержень - плоскость при положительной полярности стержня должно быть выше, чем при отрицательной, что полностью подтверждается результатами непосредственных наблюдений. Для выяснения влияния полярности на разрядные напряжения не обходимо рассмотреть дальнейший стадии разряда.

Если стержень положительный напряжение между электродами достаточно велико, то возникает лавина справа от объемного заряда (рис. 6,а), электроны которой смешиваясь с положительными ионами объемного заряда, создают зародыш канала анодного стри­мера, заполненный плазмой (рис.6, б). Заряды плазмы стри­мера находятся в электрическом поле, поэтому они будут распреде­ляться неравномерно и на головке стримера будет располагаться некоторый избыточный положительный заряд. Этот заряд частично компенсирует поле в канале самого стримера и создает повышенную напряженность на его головке, как показано кривой 2 на рис.6, г. На­личие области сильного поля перед головкой обеспечивает образование новых лавин, электроны которых втягиваются в канал стримера,



Рис. 6. Образование анодного стримера в промежутке положительный стержень —

плоскость.
а ионы создают показанный на рис. 6, б положительный объемный заряд, приводящий к дальнейшему усилению поля перед головкой стри­мера. Вновь образованные лавины превращают этот объемный заряд в продолжение канала стримера, который, таким образом, постепен­но удлиняется, прорастая к аноду (рис.6, в).

В зависимости от степени неод­нородности поля и напряжения между электродами напряженность поля на головке стримера по мере его удлинения может расти или падать. В первом случае обеспечено распространение стримера до про­тивоположного электрода, т. е. пол­ный пробой промежутка; во втором случае развитие стримера после до­стижения определенной длины пре­кращается, т. е. будет иметь место коронный разряд.

При отрицательной полярности стержня образование стримера вблизи стержня (в этом случае он называется катодным стримером) оказывается сильно затрудненным. Сильное поле непосредственно око­ло стержня приводит к образова­нию большого числа лавин, распро­страняющихся по направлению к окружающему стержень положи­тельному объемному заряду. Имен­но в силу большого числа одновре­менно развивающихся лавин не возникает условий для образования заполненного плазмой узкого кана­ла, а создается более или менее однородный плазменный слой, как показано на рис.7, a. Этот слой играет роль как бы экрана с го­раздо большим радиусом кривизны, чем стержень, и благодаря его воз­никновению напряженность поля из­меняется приблизительно так, как показано на рис. 7, г (кривая 2). При дальнейшем возрастании на­пряжения ионизация длительное время продолжает происходить толь­ко в пространстве между стерж­нем и плазменным слоем, который постепенно увеличивается в объеме и несколько вытягивается в сторо­ну противоположного электрода. Напряженность поля на внешней поверхности плазменного слоя по­степенно растет и при дальнейшем возрастании напряжения возникают лавины электронов справа от этого слоя (рис. 7, б), Положительные заряды этих лавин, вызывают даль­нейшее возрастание напряженности на границе плазменного слоя, бла­годаря чему появляется большое число новых лавин, слияние кото­рых приводит к удлинению плаз­менного слоя по направлению к ано­ду и превращению его в стример. Однако, так же как и в начале про


Рис. 7 Образование катодного стримера в промежутке отрицательный стержень - плоскость.
цесса, благодаря большому числу возникающих лавин головка стримера оказывается размытой (рис. 7, г) и возрастание напря­женности поля на головке оказывается гораздо меньшим, чем при положительном стержне (рис.7, г, кривая 3).

В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при
отрицательном стержне происходит с гораздо большими трудностями,
поэтому и разрядное напряжение при отрицательном стержне значи­тельно выше, чем при положитель­ном (в 2-2,5 раза).

При обеих полярностях стержня пересечение стримером всего промежутка между электродами обеспечивает полный пробой, но не является последней стадией разряда. Канал стримера является проводящим и напряженность поля в канале относительно невелика. Поэтому стример служит как бы продолже­нием стержня и его головка имеет потенциал, близкий к потенциалу стержня (но, конечно, меньше на величину падения напряжения в ка­нале). Когда расстояние между головкой стримера и плоскостью де­лается очень малым, напряженность поля в еще непробитой части про­межутка сильно возрастает, возни­кает весьма интенсивная иониза­ция, превращающая этот проме­жуток в плазму с очень высокой плотностью ионов, гораздо большей, чем в канале стримера. Распределение поля в промежутке в этот мо­мент показано на рис.8.Большая напряженность поля на границе вновь образовавшегося канала при­водит к постепенному распростра­нению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню. Этот процесс обычно называется обрат­ным (или главным) разрядом. Об­ратный разряд развивается от плос­кости к стержню, т. е. в направле­нии, обратном движению, стримера,



Рис.8 Последовательные стадии разви­тия обратного разряда и распределение
продольной напряженности электрического поля в канале.
с очень большой скоростью поряд­ка 10⁹ и обеспечивает созда­ние между электродами канала вы­сокой проводимости, через который после этого начинает проходить ток короткого замыкания источника.
Лекция 7.

1.4.4.Барьеры в резко неоднородном поле.
Барьером называется тонкая пластинка из изолирующего мате­риала, обычно имеющая плоскую или цилиндрическую форму, кото­рая устанавливается в газовом про­межутке или промежутке, заполнен­ном маслом, для увеличения его электрической прочности. В газовом промежутке, который мы сейчас рассматриваем, электрическая проч­ность самого барьера не играет су­щественной роли; в качестве барь­ера, например, с успехом может ис­пользоваться тонкий лист плотной бумаги, собственная электрическая прочность которого ничтожна. Зна­чительное влияние, которое оказы­вают барьеры в газовой среде на разрядное напряжение, связано с изменением пространственного объемного заряда, созданного в про­цессе развития ионизации.

Рассмотрим в качестве примера промежуток стержень — плоскость, в котором установлен плоский барь­ер, как показано на рис.9, а. При положительной полярности стержня образующиеся вблизи него положи­тельные ионы при отсутствии барь­ера формируют концентрированный объемный положительный заряд, напряженность поля на границе ко­торого сильно возрастает (рис.9}. Наличие области усиленного поля является основной причиной рас­пространения ионизации вглубь промежутка и завершения его полного пробоя.

При установке барьера положи­тельные ионы задерживаются барь­ером и растекаются по его поверх­ности, причем распределение поло­жительных зарядов на барьере ока­зывается тем более равномерным, чём дальше от стержня он установ­лен. Напряженность поля во внеш



Рис. 9 Распределение напряженности поля в промежутке положительный

стержень — плоскость при наличии барьера.
нем пространстве (справа от объ­емного заряда) по-прежнему уве­личивается, но теперь это повыше­ние напряженности распределяется более или менее равномерно на весь промежуток между барьером и плоскостью и сильного повышения напряженности на поверхности барьера не происходит (рис.9, б). Поэтому при положительной полярности стержня барьер, установленный вблизи от стержня (не в непосредственной близости от него), приводит к значительному увеличению разрядного напряжения.

Иначе обстоит дело при отрицательной полярности стержня. Элек­троны, двигающиеся от стержня, по­падая на барьер, теряют свою ско­рость и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют от­рицательные ионы, распределяющиеся по поверхности барьера. Та­ким образом, барьер способствует созданию концентрированного отри­цательного объемного заряда, кото­рый при отсутствии барьера имел меньшую величину (часть электро­нов доходила до плоскости) и был сильно рассеян в пространстве (рис. 5). Поэтому, если без барь­ера основную роль играл положи­тельный объемный заряд, умень­шавший напряженность поля во внешнем пространстве (рис. 5, в), то при наличии барьера значитель­ную роль начинает играть отрица­тельный заряд, сконцентрированный на барьере, который увеличивает напряженность поля во внешнем пространстве. Поэтому следует ожи­дать, что при отрицательной поляр­ности стержня установленный в средней части промежутка барьер будет уменьшать разрядное напря­жение.

При расположении барьера в не­посредственной близости от положительного стержня его роль уменьшается, так как распределение объ­емных зарядов на барьере делает­ся резко неравномерным, напряженность поля на поверхности барьера оказывается достаточно большой для возникновения ионизации по другую сторону барьера. Образо­ванные там положительные ионы барьером не задерживаются и способствуют развитию разряда в глубь промежутка. Барьер, расположенный в непосредственной бли­зости от отрицательного стержня, т. е. в области очень сильного поля, уже не способен задерживать элек­троны, которые летят с большой скоростью и проходят сквозь барь­ер, поэтому значительного отрица­тельного объемного заряда на по­верхности барьера не создается. По­ложительные ионы, образованные ионизацией по другую сторону барьера, заряжают его положитель­но и приводят к еще более сильно­му уменьшению поля во внешнем пространстве. Поэтому при располо­жении барьера в непосредственной близости, от отрицательного стерж­ня, разрядное напряжение может несколько возрасти.

Таким образом, установка барьера у стержня на расстоянии поряд­ка

(0,25—0,3) длины промежутка может очень сильно (более чем в 2 раза) увеличить разрядное напря­жение при положительной поляр­ности стержня, и поэтому газовый промежуток с барьером явля­ется простейшим примером изо­ляционной конструкции, в которой применена удачная комбинация двух диэлектриков - твердого и газообразного. С подобными комбина­циями мы будем неоднократно встречаться в дальнейшем при рас­смотрении конкретных изоляцион­ных устройств, применяемых в элек­трических аппаратах и машинах. Требования к каждому диэлектрику, входящему в состав комбинированной изоляции, вытекают из его назначения. Барьер в газовой среде предназначен задерживать ионы, поэтому, как отмечалось выше, его собственная электрическая прочность не имеет существенного значения. Однако он не должен быть пористым и появление в барьере даже мельчайших отверстий (на­пример, в результате пробоя про­межутка) может полностью унич­тожить его положительное действие. При переменном напряжении пробой происходит во время полу­периода той полярности, при кото­рой разрядное напряжение меньше. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении поло­жительной полярности.
Лекция 8.

1.5.Молния
Одной из разновидностей искро­вого разряда в длинных воздушных промежутках является молния, ос­новные количественные характери­стики которой и её воздействие на электрические установки будут рас­сматриваться в разд. 2 настоящей книги. Особенности разряда молнии, отличающие его от лаборатор­ной искры, заключаются не только в гигантских размерах разряда, но и в своеобразии одного из электро­дов - грозового облака.
В настоящее время предложе­но большое число теорий, объяс­няющих электризацию грозовых облаков, на которых мы за не­достатком места останавливаться не будем. В облаках происходит разделение электрических зарядов, причем источником энергии являют­ся мощные восходящие потоки воз­духа, способствующие росту грозо­вого облака по вертикали. Много­численные измерения распределе­ния зарядов в облаках показали, что это распределение имеет слож­ный и нерегулярный характер, но в основных чертах соответствует картине, показанной на рис.10. Как правило, в результате действия процессов электризации в нижней части облака скапливаются заря­женные отрицательно капельки во­ды, а в верхней части—заряжен­ные положительно капельки воды или кристаллики льда. Благодаря турбулентному характеру движения воздушных масс отрицательные за­ряды могут сосредоточиваться в ви­де отдельных изолированных друг от друга заряженных объемов. В ряде случаев в нижней части облака мо­жет также возникнуть концентриро­ванный положительный заряд, как это показано на рис. 10. В боль-


Рис.10 Возможное распределение зарядов в грозовом облаке.



Рис. 11 Стилизованная фоторазвертка: многократного разряда молнии.

а — область предварительной ионизации перед головкой ступенчатого лидера;

б — ступенчатый лидер; в —стрелковый лидер; г —обратный (главный) разряд;

д — разветвления от основного канала разряда. Средние значения интервалов времени: t₁=0,01 сек; t₂=50•10^-6 сек;. t₃=0,001сек; T=0,03 сек.
шинстве случаев положительный объемный заряд играет роль инициатора разряда, так как он увеличивает напряженность поля в области отрицательных зарядов, но иногда величина положительного заряда может оказаться настолько большой, что разряд на землю произойдет непосредственно из этого скопления зарядов. Таким образом, в большинстве случаев (80—90%) разряды молнии имеют отрицательную полярность, но иног­да полярность разряда может быть и противоположной.

Размещение отрицательных раз­рядов в отдельных изолированных друг от друга объемах приводит к тому, что разряд молнии обычно бывает многократным и состоит из нескольких, следующих друг за дру­гом по одному и тому же пути раз­рядов. Каждый отдельный разряд происходит из своего скопления за­рядов, причем вначале разряжаются на землю нижние скопления заря­дов, а затем верхние.

Стилизованная фотография мол­нии, полученная на фотокамере с вращающейся пленкой, показана на рис, 11. Обращает на себя вни­мание своеобразный характер раз­вития лидера первого разряда мно­гократной молнии. Как видно из ри­сунка, лидер первого разряда продвигается к земле не непрерывно, а ступенями, разделенными одна от другой интервалами времени поряд­ка 50 мксек. Скорость развития каж­дой ступени весьма велика (более 10⁹ см/сек), но благодаря наличию интервалов времени между ними скорость всего процесса в целом значительно меньше

(1,5—2х 10⁷ см/сек). Лидеры последую­щих разрядов молнии имеют обыч­ный стреловидный характер и аналогичны лидерным разрядам лабо­раторной искры.

Количество отдельных разрядов молнии может изменяться в широ­ких пределах 1—20; в среднем мол­ния состоит из трех разрядов.

Благодаря большой длине кана­ла молнии скорость обратного раз­ряда можно надежно определить с помощью фоторазверток. Экспери­менты показали, что эта скорость обычно лежит в пределах (0,05—0,5) скорости света.