ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 11-17
УДК 537.523.3,537.523.4
ВСТРЕЧНЫЕ ЛИДЕРЫ В СИСТЕМАХ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ БАРЬЕРОМ
© 2015 г. С. Ю. Красильников, А. В. Самусенко, Ю. К. Стишков
Научно-образовательный центр "Электрофизика" Санкт-Петербургского государственного университета
E-mail: stishkov@paloma.spbu.ru Поступила в редакцию 08.10.2013 г.
Рассмотрены особенности пробоя воздушных промежутков с твердыми диэлектрическими барьерами большого диаметра при импульсной подаче напряжения. Обычно для пробоя промежутков длиной 5—500 см необходимо предварительное замыкание стримерами промежутка, однако в рассматриваемых системах замыкание затруднено высокой длиной пути по воздуху в обход барьера. Результаты исследования позволяют предположить, что при большом диаметре барьера стримерно-лидерный переход происходит с обеих сторон барьера, затем пара лидеров распространяется вдоль барьера с разных его сторон вплоть до замыкания на краю барьера. Возможность стримерно-лидер-ного перехода при умеренных напряжениях (50—400 кВ) может быть обеспечена значительной величиной заряда, переносимого через стримерные каналы на поверхность диэлектрического барьера. Накопление значительного заряда на поверхности барьера оказывается возможным благодаря образованию пары пятен разнополярного поверхностного заряда — своеобразной электрической емкости.
Б01: 10.7868/80040364415010147
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что лидер при наличии плоских поверхностей из твердого диэлектрика может приобретать специфические свойства. Однако взаимодействие стримеров и плоского диэлектрика, в особенности специфика стримерно-лидерного перехода, в таких условиях изучено недостаточно.
В [1] теоретически проанализированы особенности развития наиболее простого типа разряда — электронной лавины — вблизи поверхности твердого диэлектрика, однако эти закономерности нельзя распространить на существенно более сложные стримерные и лидерные процессы. Взаимодействие одиночного стримера с диэлектрическим барьером оказывается гораздо более сложным явлением, чем взаимодействие лавины с барьером [2]. Считается, что импульсная корона в стримерной форме может перейти в искру, если стримеры имеют достаточную длину для обхода барьера. В этом случае барьер рассматривается как элемент, увеличивающий длину пути по воздуху между электродами, по которому идет стример [3]. Изучена и противоположная ситуация, когда в ходе разрядного процесса в твердом диэлектрике образуется сквозной канал, по которому и проходит искра [4]. Такой сценарий развития пробоя требует значительного повышения напряжения по сравнению с порогом возникновения стримерного разряда и в настоящем исследовании не наблюдается.
Исследования пробойных и предпробойных процессов проведены при межэлектродном расстоянии 10 см в системе электродов сфера—сфера. Между электродами был помещен плоский диэлектрический барьер. Под барьером понимается тонкий (по сравнению с межэлектродным расстоянием) лист из твердого диэлектрика, расположенный перпендикулярно линии, соединяющей электроды по кратчайшему пути. Указанное межэлектродное расстояние не выходит за рамки диапазона, для которого принято считать, что замыкание стримерным каналом пары разнополярных электродов является обязательным условием для пробоя [5—7]. В частности, в [8] порог образования лидера из незамкнутой на противоэлектрод стримерной вспышки оценивается в 350 кВ. Вместе с тем настоящее исследование показывает, что наблюдается особый сценарий развития лидеров, возникающих без замыкания стримерами межэлектродного промежутка и без образования сквозного канала в твердом диэлектрике. Данная работа расширяет представления о процессах развития лидеров и имеет практический интерес — как источник новых сведений о свойствах барьерной изоляции.
Следует отметить, что взаимодействие плазменных образований с твердым диэлектриком активно изучается при исследовании так называемого "барьерного разряда" [9]. Однако барьерный разряд существует при приложении периодически
Рис. 1. Негатив фотографии искрового пробоя в системе сфера—плоскость: активный электрод — сфера Sa диаметром 1.2 мм, межэлектродное расстояние — 100 мм, барьер b — плоский лист поликарбоната толщиной 4 мм, расположенный параллельно заземленной плоскости Pg на расстоянии 10 мм от сферического электрода. Лидер распространяется над поверхностью барьера и огибает диэлектрический барьер по воздуху. Амплитуда грозового импульса — 185 кВ.
меняющегося напряжения, а не импульсного. Также при барьерном разряде толщина твердого диэлектрика подбирается так, что пробой (т.е. переход разряда в искровую или дуговую стадию) становится невозможным.
Взаимодействие коронного разряда постоянного напряжения с твердым диэлектрическим барьером рассмотрено в [10]. Показано, что основную роль при взаимодействии барьера с коронным разрядом играет поверхностный заряд, напыляемый в ходе несамостоятельной и самостоятельной стадий разряда на твердый диэлектрик. В целом барьер не блокирует развитие короны, но смещает линии тока заряда и тем самым уменьшает ток и увеличивает порог возникновения короны.
В данной работе рассматриваются разрядные процессы при импульсном воздействии напряжением, приводящим к возникновению одной из форм коронного разряда: импульсной стример-ной короны [6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследуемая система электродов подключена к источнику импульсного напряжения, позволяющему генерировать стандартные грозовые импульсы (длительность переднего фронта — 1.5 мкс, заднего фронта — 50 мкс) амплитудой от 50 до 500 кВ. К системе подключен измеритель напряжения между электродами, а также измеритель тока, протекающего через заземленный электрод (осциллограф Tektronix TDS1012B, частота квантования сигнала — до 1 ГГц). Применение двух измерителей дает возможность измерять токи в широком диапазо-
не: от 1O—1 до S А (при помощи Tektronix) — подобные токи характерны для стримеров, а также от 1O А до 1O3 А (методом дифференцирования осциллограммы напряжения) — токи характерны для стадии лидерного пробоя.
Стенд оборудован высокочувствительной камерой, позволяющей получать фотографии лидеров и стримеров. Время экспозиции превышает длину подаваемого импульса напряжения, поэтому полученные картины являются интегральными, а не мгновенными снимками.
СТРИМЕРНАЯ АКТИВНОСТЬ И ОГИБАЮЩИЙ МЕХАНИЗМ ЛИДЕРНОГО ПРОБОЯ
В системах электродов c сильно неоднородным распределением электрического поля, как без барьеров, так и с барьером, начиная с определенного уровня напряжения возникает стример-ный разряд. Если напряжение достаточно велико, стримеры достигают поверхности барьера и изменяют направление своего распространения на касательное к поверхности барьера. При этом они распространяются сначала вдоль поверхности барьера, а затем, достигнув края барьера, прорастают к противоэлектроду.
Если размер барьера не слишком велик, с определенного уровня напряжения длина стримеров становится достаточной для того, чтобы стримеры огибали край барьера, а затем и достигали поверхности противоэлектрода. Когда стримеры замыкают межэлектродный промежуток, становится возможен пробой. Лидерный канал в этом случае образуется из ветвей стримеров над поверхностью барьера. Лидерный канал "огибает" барьер, проходя в основном по воздуху на некотором расстоянии от барьера (рис. 1). Такая ситуация аналогична механизму пробоя при малых межэлектродных расстояниях без твердого диэлектрика: барьер лишь удлиняет траекторию замыкающих стримеров и последующего лидера, вынуждая их идти по воздуху в обход препятствия. Будем называть подобный сценарий развития "огибающим" лидером.
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЗАРЯД
Основное внимание в работе уделено варианту развития событий, когда стримерно-лидерный переход осуществляется без замыкания стримерами межэлектродного промежутка. Рассмотрим далее этот случай подробнее на примере "симметричной" системы электродов типа шар—шар (радиус каждого из шаров — 1S мм, межэлектродное расстояние — 1OO мм, барьер — лист поликарбоната толщиной 8 мм — расположен посередине межэлектродного промежутка), в которой этот механизм проявляется наиболее ярко. На рис. 2—S
Яа
(в)
10.2 10.4 10.6 10.8 Время, мкс
(г)
Рис. 2. Фотографии (негатив) стримеров (а), осциллограммы тока стримеров (б) и результаты визуализации поверхностного заряда, наносимого стримерами в симметричной системе электродов (в), (г): (б) — время отсчитывается от начала импульса напряжения; (в) — сторона барьера, обращенная к активному электроду Яа (слева внизу — увеличенное изображение участка); (г) — сторона барьера, обращенная к заземленному электроду Sg. Напряжение — 130 кВ.
представлены экспериментальные результаты именно для этой системы электродов.
Стример является слабопроводящим каналом, поэтому в случае, если стримерный канал соединяет электрод с поверхностью барьера, на поверхности барьера остается поверхностный электрический заряд. На фотографиях (рис. 2) показаны встречные стримеры, осциллограммы их токов, а также результаты визуализации поверхностного заряда после воздействия однополярными стримерами на барьер. На рис. 2—4 изображения электродов и барьера нанесены на фотографии стримеров в процессе обработки данных: Яа — высоковольтный сферический электрод; Sg — заземленный сферический электрод; Ь — барьер; р.8. — положительные стримеры, растущие от активного электрода; п.б. — отрицательные стримеры, растущие от заземленного электрода. Визуализация проведена электрографическим методом — посредством осаждения порошка-тонера на исследуемую поверх-
р.8.
П.8.
Sg
130 кВ
140 кВ
Ь
Яа
130 кВ
Рис. 3. Фотографии стримеров под разными углами.
Ь
Яа
88
Рис. 4. Пробой встречными лидерами в системе электродов сфера—сфера (негатив): 1 — участок положительного лидерного канала от активного электрода до барьера; 2, 3 — пара разнополярных лидерных каналов по верхней и нижней поверхностям барьера со стороны активного (2) и заземленного (3) электродов;
4 — участок отрицательного лидерного канала по поверхности барьера со стороны заземленного электрода;
5 — участок о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.