книги / Техника высоких напряжений

г )

Рис. 4-8. Образование катодного стримера в промежутке отрицательный стержень — плоскость.

пересечение стримером всего проме­ жутка между электродами обеспе­ чивает полный пробой, но не явля­ ется последней стадией разряда. Канал стримера является проводя­ щим и напряженность поля в кана­ ле относительно невелика. Поэтому стример служит как бы продолже­ нием стержня и его головка имеет потенциал, близкий к потенциалу стержня (но, конечно, меньше на величину падения напряжения в ка­ нале). Когда расстояние между го­ ловкой стримера и плоскостью де­ лается очень малым, напряженность поля в еще непробитой части про­ межутка сильно возрастает, возни­ кает весьма интенсивная иониза­ ция, превращаящая этот проме­ жуток в плазму с очень высокой плотностью ионов, гораздо большей, чем в канале стримера. Распреде­ ление поля в промежутке в этот мо­ мент показано на рис. 4-9. Большая напряженность поля на границе вновь образовавшегося канала при­ водит к постепенному распростра­ нению зоны интенсивной ионизации по направлению к стержню. Этот процесс обычно называется обрат­ ным (или главным) разрядом. Об­ ратный разряд развивается от плос­ кости к стержню, т. е. в направле­ нии, обратном движению стримера,

женности поля на головке оказы­ вается гораздо меньшим, чем при положительном стержне (рис. 4-8,а, кривая 3).

В силу рассмотренных выше особенностей развитие стримера при отрицательном стержне происходит с гораздо большими трудностями, Поэтому и разрядное напряжение при отрицательном стержне значи­ тельно выше, чем при положитель­ ном (в 2—2,5 раза).

При обеих полярностях стержня

С♦-44«

у: }

Ш

Hlu 1 'Hi* 1

i ü i i _

+

а)

Рис. 4-9. Последовательные стадии разви­ тия обратного разряда и распределение продольной напряженности электрического поля в канале.

Барьером называется тонкая пластинка из изолирующего мате­ риала, обычно имеющая плоскую или цилиндрическую форму, кото­ рая устанавливается в газовом про­ межутке или промежутке, заполнен­ ном маслом, для увеличения его электрической прочности. В газовом промежутке, который мы сейчас рассматриваем, электрическая проч­ ность самого барьера не играет су­ щественной роли; в качестве барь­ ера, например, с успехом может ис­ пользоваться тонкий лист плотной бумаги, собственная электрическая прочность которого ничтожна. Зна­ чительное влияние, которое оказы­ вают барьеры в газовой среде на разрядное напряжение, связано

й>

Рис. 4-10. Распределение напряженности поля в промежутке положительный стер­ жень-плоскость при наличии барьера.

объемного заряда, созданного в про­ цессе развития ионизации.

Рассмотрим в качестве примера промежуток стержень — плоскость, в котором установлен плоский барь­ ер, как показано на рис. 4-10,а. При положительной полярности стержня образующиеся вблизи него положи­ тельные ионы при отсутствии барь­ ера формируют концентрированный объемный положительный заряд, напряженность поля на границе ко­ торого сильно возрастает (рис. 4-5). Наличие области усиленного поля является основной причиной рас­ пространения ионизации в глубь промежутка и завершения его пол­ ного пробоя.

При установке барьера положи­ тельные ионы задерживаются барь­ ером и растекаются по его поверх­ ности, причем распределение поло­ жительных зарядов на барьере ока­ зывается тем более равномерным, чем дальше от стержня он установ­ лен. Напряженность поля во внеш-

емного заряда) по-прежнему уве­ личивается, но теперь это повыше­ ние напряженности распределяется более или менее равномерно на весь промежуток между барьером и плоскостью и сильного повышения напряженности на поверхности барьера не происходит (рис. 4-10,6). Поэтому при положительной поляр­ ности стержня барьер, установлен­ ный вблизи от стержня (не в непо­ средственной близости от него), приводит к значительному увели­ чению разрядного напряжения.

Иначе обстоит дело при отрица­ тельной полярности стержня. Элек­ троны, двигающиеся от стержня, по­ падая на барьер, теряют свою ско­ рость и большинство из них вместе с атомами кислорода образуют от­ рицательные ионы, распределяю­ щиеся по поверхности барьера. Та­ ким образом, барьер способствует созданию концентрированного отри­ цательного объемного заряда, кото­ рый при отсутствии барьера имел

образного. С подобными комбина­ циями мы будем неоднократно встречаться в дальнейшем при рас­ смотрении конкретных изоляцион­ ных устройств, применяемых в элек­ трических аппаратах и машинах. Требования к каждому диэлектрику, входящему в состав комбинирован­ ной изоляции, вытекают из его на­ значения. Барьер в газовой среде предназначен задерживать ионы, поэтому, как отмечалось выше, его собственная электрическая проч­ ность не имеет существенного зна­ чения. Однако он .не должен быть пористым и появление в барьере даже мельчайших отверстий (на­ пример, в результате пробоя про­ межутка) может полностью унич­ тожить его положительное действие.

При переменном напряжении пробой происходит во время полупериода той полярности, при кото­ рой разрядное напряжение меньше. Поэтому при промышленной частоте влияние барьеров такое же, как и при постоянном напряжении поло­ жительной полярности.

4-5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДА В ДЛИННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКАХ. МОЛНИЯ

Совместно с опытами в камере Вильсона на коротких промежутках экспериментальное изучение длин­ ных искр дало необходимый факти­ ческий материал, на котором была построена стримерная теория раз­ ряда. Одним из важных средств исследования длинных искр служи­ ла специальная фотокамера, пленка которой во время экспозиции пе­ ремещается относительно объекти­ ва. Принцип устройства такого фо­ тоаппарата показан на рис. 4-12. Аппарат имеет два зеркала U кото­ рые через объектив 2 с большой светосилой направляют лучи света от излучаемого разряда на фото­ пленку 3, укрепленную на внутрен­ ней поверхности быстровращающегося барабана 4. Поскольку излу­ чение газового разряда наиболее интенсивно в ультрафиолетовой ча-

Рис. 4-12. Принцип устройства фотокамеры с вращающейся фотопленкой.

1 — зеркала, расположенные под углом 45° к го­ ризонтальной плоскости; 2 — фотообъективы; 3 — фотопленка; 4 — вращающийся барабан; А В — изучаемый разряд.

сти спектра, для таких камер часто применяется кварцевая оптика.

При развитии исследуемого раз­ ряда от точки А до точки В на не­ подвижной пленке получились бы два изображения ab и ахЬ\. При вращении пленки к моменту разви­ тия разряда до точки В барабан по­ вернется на некоторый угол <р, что соответствует линейному смещению пленки Ô. Вместо ab и афх на плен­ ке получатся смещенные изображе­ ния ab' и ахЬ'I. Если линейная ско­

Камера с перемещающейся плен­ кой была впервые использована для исследования молнии, где ома и до настоящего времени находит широ­ кое применение. В лабораторных условиях скорость развертки, обе­ спечиваемая фотокамерой, оказы­ вается в ряде случаев недостаточ­ ной, поэтому в последнее время в лабораториях начали применяться другие, более современные методы исследования (ячейки Керра, элек­ тронно-оптические преобразовате­ ли и др.), описание которых можно найти в специальной литературе.

нии, отличающие его от лаборатор­ ной искры, заключаются не только в гигантских размерах разряда, но и в своеобразии одного из электро­ дов — грозового облака.

В настоящее время предложе­ но большое число теорий, объяс­ няющих электризацию грозовых облаков, на которых мы за не­ достатком места останавливаться не будем. В облаках происходит разделение электрических зарядов, причем источником энергии являют­ ся мощные восхрдящие потоки воз­ духа, способствующие росту грозо­ вого облака по вертикали. Много­ численные измерения распределе­ ния зарядов в облаках показали, что это распределение имеет слож­

Как правило, в результате действия процессов электризации в нижней части облака скапливаются заря­ женные отрицательно капельки во­ ды, а в верхней части — заряжен­ ные положительно капельки воды или кристаллики льда. Благодаря турбулентному характеру движения воздушных масс отрицательные за­ ряды могут сосредоточиваться в ви­ де отдельных изолированных друг от друга заряженных объемов. В ряде случаев в нижней части облака мо­ жет также возникнуть концентриро­ ванный положительный заряд, как это показано на рис. 4-17. В боль-

Рис. 4-17. Возможное распределение заря­ дов в грозовом облаке.

Стрелками показано направление восходя­ щих воздушных потоков.

Рис. 4-18. Стилизованная фоторазвертка многократного разряда молнии.

а — область предварительной ионизации перед го­ ловкой ступенчатого лидера; б — ступенчатый ли­ дер; в — стрелковый лидер; г — обратный (глав­ ный) разряд; д — разветвления от основного кана­ ла разряда.

Средние значения интервалов времени: tx-0,01 сек; /а= 50 • НН сек; /з=0,001 сек; Г—0.03 сек.

шинстве случаев положительный объемный заряд играет роль ини­ циатора разряда, так как он

рядов, но иногда величина положи­ тельного 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 иног­ да полярность разряда может быть и противоположной.

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

Стилизованная фотография мол­ нии, полученная на фотокамере с вращающейся пленкой, показана на рис. 4-18. Обращает на себя вни­ мание своеобразный характер раз­ вития лидера первого разряда мно­ гократной молнии. Как видно из ри­ сунка, лидер первого разряда про­

6-1. СТРУКТУРА

ВРЕМЕНИ РАЗРЯДА

электроны вблизи катода образуют­ ся или благодаря бомбардировке