Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
стримерной, при которой образуются светящиеся каналы, называемые стримерами. Эксперименты показывают, что стример представляет собой тонкий канал частично ионизованного газа, на переднем конце которого расположен избыточный заряд высокой концентрации, называемый головкой стримера. В поле этого заряда идет интенсивная ионизация, образуются лавины, что обеспечивает образование нового избыточного заряда и продвижение стримера в глубь промежутка в соответствии с направлением внешнего поля. Оценки дают высокую концентрацию электронов в канале стримера n е = 10 13 ÷ 10 14 1/см 3 , при этом велика и концентрация положительных ионов, так что избыточный заряд в канале невелик, а средняя продольная напряженность поля в канале оценивается в 5 ÷7 кВ/см. Радиус канала стримера по разным оценкам составляет от 30 до 300 мкм. В резко-неоднородном поле размеры области, занятой разрядом, могут быть меньше длины промежутка, и она располагается вблизи электрода с малым радиусом закругления. Такой разряд называется коронным разрядом. Если он ограничен только лавинной стадией, то это − лавинная корона, если переходит в стримерную стадию, то это − стримерная корона. Возникновение коронного разряда еще не означает пробоя промежутка, так как разрядная зона занимает его малую часть. Коронный разряд возникает при начальном напряжении, при этом в резко-неоднородном поле начальное напряжение меньше, чем в однородном. В однородном и слабо-неоднородном полях возникновение разряда обязательно приводит к пробою всего промежутка, и начальное напряжение равно пробивному. В резко-неоднородном поле может быть состояние, при котором стримеры достигают противоположного электрода, но пробоя промежутка не происходит, так как не происходит переход в искру. Для образования искры требуется повышение напряжения, чтобы хотя бы один из стримерных каналов превратился в искровой. В искровой стадии происходит резкое увеличение тока, сопровождающееся выделением тепла, газ в канале разогревается и начинается термическая ионизация. Все это соответствует искровому пробою промежутка. В общем случае поэтапное развитие разряда начиная с электрода с малым радиусом кривизны облегчает продвижение разряда по сравнению с равномерным полем. Поэтому разрядное напряжение промежутков с резко- неоднородным полем существенно меньше чем промежутков с однородным полем. Средняя пробивная напряженность для промежутков с резко-неоднородным полем составляет 5 ÷7 кВ/см. Перечисленные стадии разряда могут иметь место в промежутках небольшой длины (от 1 до 40 ÷50 см) и при давлениях газа порядка атмосферного. В так называемых длинных промежутках, длина которых 0,5 м и более, или при повышенных (более атмосферного) давлениях газа разряд из стримерной стадии может перейти в лидерную стадию, характеризующуюся образованием мощного ярко светящегося плазменного канала, внутри которого температура газа достигает тысяч градусов, идет термическая ионизация газа и по которому протекает ток в десятки и сотни ампер. При этом в отличие от искры лидер в зависимости от приложенного напряжения может пройти лишь часть промежутка или пересечь весь промежуток, осуществляя полный пробой с переходом в дугу. 2.3. Влияние формы воздействиующего напряжения на развитие разряда Рассмотренные выше стадии разряда осуществляются при воздействии на промежуток постоянного напряжения. Однако на практике, в особенности при работе электроэнергетических объектов, происходит воздействие на газовый промежуток переменного и импульсного напряжений, что вносит дополнительные особенности в развитие разряда. В промежутках с однородным полем разряд при переменном напряжении происходит как и при постоянном напряжении при выполнении условия самостоятельности, и начальное напряжение равно пробивному. Однако значения пробивного напряжения, так называемая электрическая прочность промежутка, при переменном напряжении зависят от его частоты f. Вместе с тем, эксперименты показывают, что существует область частот от промышленной частоты f = 50 Гц до некоторой критической частоты, превышающей несколько килогерц, в пределах которой пробивное напряжение практически не зависит от частоты. Это связано с тем, что длительность полупериода воздействующего напряжения превышает время развития разряда, и разряд заканчивается до изменения полярности электрода. Особый случай для развития разряда представляет воздействие на разрядный промежуток импульсного напряжения. Следует различать по длительности так называемые грозовые импульсы, коммутационные импульсы напряжения, соответствующие тем, что возникают при ударах молнии или при работе коммутирующей аппаратуры в электрических сетях, и наносекундные импульсы, которые находят применение в электротехнологиях. Особенности развития разряда при импульсном воздействии напряжения определяются ограниченным временем роста напряжения до максимального значения и коротким временем воздействия напряжения. Для пробоя промежутка при импульсном напряжении требуется более интенсивное развитие ионизационных процессов, которые обеспечили бы время развития разряда, меньшее, чем время действия импульса. Время разряда, в свою очередь, складывается из времени формирования разряда от момента появления первых эффективных электронов, дающих начало образованию лавин, до пробоя промежутка и так называемого статистического времени запаздывания разряда, равного времени ожидания эффективных электронов, если начальная концентрация электронов оказывается недостаточной для интенсивной ионизации. 1400 1000 600 200 100 150 50 d, см U пр кВ 1 2 3 Рис. 2.3. Пробивные напряжения в воздухе в промежутке стержень −плоскость при импульсном воздействии 1 − отрицательное острие 2 − положительное острие 3 − пробивное напряжение при f = 60 Гц Из-за статистического запаздывания начала разряда начальное напряжение оказывается выше, чем при воздействии постоянного напряжения, причем это повышение также носит статистический характер и зависит от полярности высоковольтного электрода (рис.2.3). При воздействии на промежуток импульсного напряжения наносекундной длительности, когда длительность фронта импульса напряжения составляет 10 ÷20 нс, а длительность импульса − сотни наносекунд, для того, чтобы развитие разряда произошло за время действия импульса, напряжение должно быть резко увеличено. Это означает большую величину пробивного напряжения (Е ср. разр. ≥ 20 кВ/см). 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ 3.1. Определение плазмы и ее основные свойства Плазмой называют ионизованный газ, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные частицы, в котором суммарный заряд в каждой единице объема стремится к нулю, то есть плазма представляет собой электрически нейтральную среду. В общем случае плазма может состоять из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных частиц − электронов и отрицательных ионов − и нейтральных частиц. Отношение числа электронов n е (или ионов) в единице объема плазмы к полному числу частиц n в этом же объеме m = n е /n называют степенью ионизации плазмы. В предельном случае, когда число нейтральных частиц в плазме стремится к нулю, плазма называется полностью ионизованной, для которой m →1. В технических устройствах, как правило, имеют дело с неполностью или частично ионизованной плазмой, для которой m << 1. Степень ионизации плазмы в зависимости от условий ее образования и существования может изменяться в широких пределах. Столб тлеющего разряда − это слабоионизованный газ со степенью ионизации порядка 10 -8 ÷10 -6 Положительный столб дугового разряда при атмосферном и более высоких давлениях имеет степень ионизации порядка 10 -3 ÷10 -1 В соответствии с величиной концентрацией частиц может быть разреженная плазма, примером которой служит ионосфера Земли, в которой концентрация электронов составляет 10 5 1/см 3 , или плазма в столбе тлеющего разряда при низких давлениях газа, и плотная плазма, например, в канале лидера при разряде в длинных воздушных промежутках или в канале молнии, в котором концентрация электронов может достигать (1 ÷5)⋅10 17 1/см 3 В зависимости от условий, в которых образована и находится плазма, различают низкотемпературную и высокотемпературную плазму. В низкотемпературной плазме температура близка к температуре окружающей среды и составляет порядка 300 ÷ 400 К. В высокотемпературной плазме температура может достигать тысяч и сотен тысяч Кельвинов. Основное свойство плазмы − стремление к электрической нейтральности − является следствием взаимодействия полей отдельных заряженных частиц. В плазме, являющейся смесью заряженных частиц разного знака, силы притяжения, действующие между разноименно заряженными частицами, уравновешиваются силами отталкивания одноименно заряженных частиц. Учитывая статистический характер распределения частиц в плазме, говорят не о полной электрической нейтральности, а о квазинейтральности плазмы. Квазинейтральность означает, что суммарный заряд каждой единицы объема плазмы q = n + + n _ + n e → 0. В нейтральном газе мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц является температура газа Т, определяемая из соотношения 1/2 mw 2 = 3/2 kT, где m − масса частиц газа, w − средняя скорость их хаотического движения, k − постоянная Больцмана. Таким же образом характеризуют и среднюю энергию частиц плазмы. В этом случае средняя энергия электронов и ионов может характеризоваться температурой соответственно T e и Т и ( ) e 2 e e 2 3 2 kT w m = ( ) и 2 и и 2 3 2 kT w m = В слабых электрических полях и в установившемся режиме средние энергии электронной и ионной составляющих плазмы равны между собой и равны средней энергии нейтральных частиц, что соответствует T e = T и = Т газа Такое состояние означает полное термодинамическое равновесие, и плазма называется равновесной. В сильных электрических полях энергия, приобретаемая электронами от поля, оказывается существенно больше энергии ионов из-за сильного различия в скоростях частиц. Энергия электронов при ограниченном времени взаимодействия не успевает выровняться с энергией ионов. Поэтому в такой плазме T e >> T и = Т газа . Такое состояние характеризует неравновесную плазму. Даже в неравновесной плазме, образующейся, например, в канале лидера, из-за отклонений в распределении плотности частиц могут образоваться области, в которых плазма близка равновесной. Такие области называют областями локального (местного) термодинамического равновесия. 3.2. Дебаевский радиус экранирования Как уже сказано выше, основным свойством плазмы является стремление к электрической нейтральности. Однако в процессе хаотического движения частиц в плазме возможно временное отклонение от нейтральности в отдельных областях, то есть происходит временное разделение зарядов в пространстве. Так же следует иметь в виду, что в общем случае заряды различного знака расположены на некотором расстоянии друг от друга. Рассмотрим элемент структуры поля состоящий из некоторой заряженной частицы и объемного заряда, например, ионов противоположного знака, расположенных на некотором расстоянии (рис. 3.1). В целом система нейтральна и на удалении поле стремится к нулю. Однако вблизи заряженной частицы электростатическое поле от этой частицы преобладает. Только начиная с некоторого расстояния начинает проявляться действие зарядов противоположного знака, стремящихся уменьшить суммарное поле. Характерное расстояние, на котором перестают проявляться неоднородности структуры поля квазинейтральной плазмы носит название дебаевского радиуса экранирования. В равновесной плазме, где температуры электронной и ионной составляющих плазмы одинаковы (Т е = Т + = Т газа ) характерный радиус экранирования заряда равен e 2 8 n e kT d π = В неравновесной плазме при Т е >> Т + = Т газа e 2 4 n e kT d π = Дебаевский радиус связан с расстоянием, на которое возможно сильное разделение зарядов в плазме. Например, при Т е = 1 эВ и n e = 10 14 1/м 3 дебаевский радиус d = 5,2 ⋅10 -4 м. Часто ионизованный газ называют плазмой, если дебаевский радиус экранирования много меньше других характерных расстояний области, занятой плазмой. 3.3. Плазма в электрическом поле Выше было рассмотрено движение в электрическом поле отдельных заряженных частиц. В отличие от такого случая движение заряженных частиц в плазме во внешнем электрическом поле существенно усложняется, так как напряженность электрического поля, действующего на каждую отдельно взятую частицу, складывается из напряженности внешнего поля и напряженности полей всех остальных частиц. Учесть при анализе все эти поля практически невозможно, в особенности при наличии столкновений между частицами, поэтому переходят к макроскопическому рассмотрению, основанному на статистическом осреднении индивидуальных взаимодействий полей частиц. Пусть в полностью ионизованной плазме, находящейся в электрическом поле, все столкновения частиц носят только упругий характер. Движение частиц плазмы можно представить как сумму направленного движения со скоростью u и хаотического движения со скоростью w.Если через vобозначить вектор полной скорости частиц, то для каждого момента времени v = u + w. Среднее значение скорости хаотического движения равно нулю (<w> = 0), и во внешнем поле <v> = <u>. Для однотипных частиц с одинаковой массой <v> = u, так как скорости u всех однотипных частиц одинаковы. Рассчитаем энергию частиц участвующих в направленном и хаотическом движении. Энергия частиц определяется квадратом скорости. Среднее значение квадрата полной скорости <v 2 > = <v 2 > =<(u +w) 2 > = <u 2 > + <2u ⋅ w> + < w 2 >. Так как направления скорости хаотического движения равновероятны, то среднее значение произведения <2u ⋅w> = 0. Среднее значение полной энергии частиц в плазме 1/2<(mv 2 )> = 1/2(mu 2 + m<w 2 >), где 1/2 m<w 2 > − есть средняя энергия хаотического движения. Таким образом наложение внешнего электрического поля приводит к увеличению средней энергии частиц плазмы на величину кинетической энергии движения частиц в этом поле. 4. КОРОННЫЙ РАЗРЯД Коронный разряд занимает особое место, так как именно коронный разряд используется в подавляющем большинстве технологий, получивших сегодня широкое промышленное использование. 4.1. Формы коронного разряда Коронный разряд − это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Само название «коронный» разряд получил из-за своего свечения, наблюдаемого на тонких проводах и напоминающего солнечную корону. E q q 1 ρ 2 E ρ d Д Рис. 3.1. К понятию о дебаевском радиусе Основными формами коронного разряда являются лавинная и стримерная. Названия этих форм обусловлены основными характерными процессами, имеющими место в зоне ионизации соответствующих коронных разрядов. Визуально лавинная корона наблюдается в виде относительно тонкого светящегося слоя на гладких электродах и в виде дискретных светящихся пятен на негладких (шероховатых) электродах. Стримерная корона наблюдается в виде слабо светящихся нитевидных каналов, длина которых в зависимости от конкретных условий может изменяться в широких пределах (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). Часть промежутка, где происходят ионизационные процессы, называется чехлом коронного разряда, а оставшаяся часть промежутка, где происходит дрейф заряженных частиц, является зоной дрейфа. Если в зоне дрейфа существуют заряды только одного знака, то корону называют униполярной, а если заряды обоих знаков, то биполярной. Биполярная корона постоянного тока возникает тогда, когда имеется промежуток с двумя коронирующими электродами (например, промежуток провод −провод или игла−игла), к которому приложено постоянное напряжение. Униполярная корона существует там, где имеется промежуток только с одним коронирующим электродом или с несколькими коронирующими электродами с одинаковой полярностью питающего напряжения. Процессы в чехле и в зоне дрейфа биполярной короны намного более сложны, чем в униполярной короне, т.к. появляется дополнительный механизм ионной рекомбинации в объеме промежутка и дополнительные механизмы вторичных процессов на электродах, что существенно усложняет математическое описание и моделирование этого вида разряда. Лавинная форма коронного разряда может реализовываться в виде непрерывной и вспышечной короны. Вспышечный характер короны связан с тем, что подвижность электронов и ионов различается на три порядка. В результате при положительной полярности коронирующего электрода электроны быстро уходят на анод, а положительные ионы, дрейфуя от анода, оказываются в области слабого поля и не могут из-за низкой подвижности быстро уйти от анода. Поэтому напряженность поля у анода снижается и ионизация практически прекращается. Следующая лавинная вспышка может возникнуть только после того, как положительные ионы покинут зону ионизации. При положительной полярности коронирующего электрода вспышечная корона возникает как в электроотрицательных, так и в электроположительных газах. При отрицательной полярности питающего напряжения вспышечный характер разряда возникает только в электроотрицательных газах, где электроны попадая в область слабого поля, прилипают к молекулам образуя мало подвижные ионы, а те в свою очередь снижают напряженность поля в зоне ионизации. Эти вспышечные импульсы получили название импульсов Тричела. |