Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физика газового разряда

1. Развитие разряда в однородном поле при постоянном напряжении

Лавина электронов и условие самостоятельности разряда.

Разряд в газе начинается с того, что свободные электроны, всегда в некотором количестве имеющиеся в газе, под действием приложенного напряжения приобретают энергию достаточную для ударной ионизации. Если при столкновении электрона с нейтральной молекулой происходит ионизация, то образуется еще один электрон, который так же может ионизовать, и процесс приобретает лавинный характер.

Действительно, пусть n концентрация электронов. Тогда на пути dx в электрическом поле в результате ионизации образуется dn новых электронов

. (1)

Общее число электронов в лавине на пути dx получается интегрированием (1):

или , (2)

где n₀ начальная концентрация электронов.

Выражение (2) справедливо в однородном электрическом поле. В неоднородном поле, в котором напряженность в промежутке меняется по пути движения лавины,

.

При ионизации образуются не только электроны, но и положительные ионы, обладающие малой по сравнению с электронами подвижностью, поэтому по мере движения лавины к аноду в ней происходит процесс разделения зарядов. Электроны уходят на анод, а положительные ионы, подходя к катоду, создают там новые электроны за счет вторичной ионизации. Эти вторичные электроны также могут создавать лавины. Если интенсивность вторичной ионизации слабая и для поддержания воспроизводства электронов требуется действие внешнего ионизатора, то такой разряд называется несамостоятельным.

В случае, если процессы ионизации развиваются и при прекращении действия внешнего ионизатора, то образуется самостоятельный разряд.

Условие перехода разряда в самостоятельный процесс носит название условия самостоятельности разряда Таунсенда и может быть пояснено следующим образом.

Пусть в результате процессов ударной ионизации в промежутке между электродами формируется лавина электронов, которые под действием поля движутся к аноду. Соответственно положительные ионы движутся к катоду и выбивают вторичные электроны.

Для того чтобы разряд поддерживался без действия внешнего ионизатора, нужно, чтобы процессы вторичной ионизации, сопровождающие прохождение лавин, обеспечивали возникновение новых лавин. Это означает, что каждая лавина начинающаяся с одного электрона должна обеспечить возникновение хотя бы одного вторичного электрона, дающего начало новой лавине.

Если коэффициент дает число электронов выбиваемых из катода одним положительным ионом, то величина , где d  межэлектродное расстояние, обозначает число вторичных электронов образовавшихся в результате прохождения единичной первичной лавины. Так как первичная лавина началась с одного электрона, то для воспроизводства лавин число вторичных электронов должно быть не меньше единицы. Таким образом, условие самостоятельности разряда имеет вид

. (3)

или .

Так как на катод приходят и выбивают вторичные электроны не только положительные ионы, но и возбужденные метастабильные молекулы и фотоны, то в (3) под понимаются все процессы образования вторичных электронов на катоде. В более общем случае вторичная ионизация должна учитывать и процессы в объеме газа, такие как, например, фотоионизация в объеме. Тогда уравнение (3) принимает более универсальную форму, применимую и в случае, когда процессы на катоде вообще не принимают участия в развитии разряда, как это имеет место в резко-неоднородных полях.

Искровой разряд. Закон Пашена

При ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового разряда, или искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Напряжение, при котором для однородного поля выполняется условие (3), носит название пробивного напряжения. Так как и /р, и зависят от напряженности поля Е/р, а напряженность определяется приложенным напряжением U и длиной разрядного промежутка d, то для однородного поля можно вывести уравнение зависимости пробивного напряжения от произведения рd вида U_пр = f(pd), которое носит название закона Пашена.

 (4)

где A и B постоянные, характеризующие газ.

Эксперименты для разных газов дают хорошее совпадение с такой зависимостью.

В полном соответствии с этой формулой и экспериментальными данными получено простое уравнение для расчета пробивного напряжения в воздухе при давлении, близком атмосферному

(5)

где р  давление газа, атм; d  расстояние между электродами, см; U  в кВ.

При большой мощности источника напряжения, по каналу искры начинает протекать большой ток, что приводит к разогреву канала и возникновению в нем термической ионизации. Сопротивление канала резко падает, ток еще более возрастает, и возникает дуговой разряд, при котором ток может превышать сотни ампер.

2. Развитие разряда в резко-неоднородных полях

Резко-неоднородное поле характерно для промежутков, создаваемых электродами типа иглаплоскость, проводплоскость, а также стерженьплоскость или шарплоскость при малом радиусе закругления шара и большом расстоянии между электродами. Особенностью резко-неоднородных полей являются высокие напряженности поля у электрода с малым радиусом закругления даже при сравнительно небольшом напряжении на промежутке. Это означает, что в этой области могут идти процессы ударной ионизации, возникают лавины электронов, и условие самостоятельности разряда выполняется, когда зона ионизации охватывает только малую часть промежутка. Соответствующее значение напряжения (U₀) носит название начального напряжения зажигания разряда.

При высоких значениях приложенного напряжения разряд в промежутке около электрода с малым радиусом кривизны проходит несколько стадий. Сначала возникают лавины, которые в зависимости от направления поля (в зависимости от полярности электрода) развиваются к электроду или от него. В результате разделения зарядов в лавинах, около электрода образуется избыточный объемный заряд одного знака, который создает собственное поле, снижающее поле у электрода (эффект экранирования) и резко усиливающий поле в промежутке перед зарядом.

Если объемный заряд достигает некоторого критического значения, созданное им поле оказывается соизмеримым с внешним полем, при этом перед объемным зарядом напряженность может достигать сотни кВ/см, что обеспечивает там интенсивную ударную ионизацию и создание нового избыточного заряда. Процесс повторяется, и происходит возникновение новой стадии разряда 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 = 10¹³  10¹⁴ 1/см³, при этом велика и концентрация положительных ионов, так что избыточный заряд в канале невелик, а средняя продольная напряженность поля в канале оценивается в 57 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 57 кВ/см.

Перечисленные стадии разряда могут иметь место в промежутках небольшой длины (от 1 до 4050 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.

3. Влияние формы воздействующего напряжения на развитие разряда

пашен разряд напряжение поле

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.

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.

При воздействии на промежуток импульсного напряжения наносекундной длительности, когда длительность фронта импульса напряжения составляет 1020 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).

Размещено на Allbest.ru