Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований электрического разряда в воздухе при высоких частотах 16
1.1. Общая характеристика внешней изоляции антенно-фидерных систем 16
1.2. Электрическая прочность некоронирующих воздушных промежутков 20
1.3. Коронирующие промежутки 25
1.3.1. Начальное напряжение и напряжение угасания короны 25
1.3.2. Структура чехла коронного разряда 27
1.3.3. Характеристики зажигания коронного разряда 30
1.4. Керамические изоляторы 31
Выводы 33
Задачи исследования 34
2. Экспериментальное исследование электрической прочности воздушных промежутков с неоднород ным электрическим полем в сухих условиях и под дождем 36
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения измерений 36
2.2. Воздушные промежутки антенно-фидерных систем 42
2.3. Разрядные напряжения воздушных промежутков в сухих условиях 45
2.4. Разрядные напряжения воздушных промежутков в условиях дождя 61
2.5. Рекомендации по определению размеров воздушных изоляционных промежутков в установках, работающих в диапазоне частот 75
Выводы 81
3. Теоретическое определение вольт-частотных характеристик некоронирующих воздушных промежутков различной конфигурации 82
3.1. Движение положительных ионов в промежутке с неоднородным электрическим полем 83
3.2. Условия накопления положительного объемного заряда 92
3.3. Области накопления положительного объемного заряда 95
3.4. Расчет вольт-частотных характеристик воздушных промежутков из условия накопления положительного объемного заряда 102
3.5. Сопоставление расчетных и экспериментальных вольт-частотных характеристик, анализ результатов расчета 115
3.6. Влияние объемного заряда на высокочастотное разрядное напряжение 122
Выводы 134
4. Экспериментальные исследования основных характеристик коронирующих воздушных проме жутков 136
4.1. Методика проведения экспериментов 136
4.2. Особенности высокочастотного коронного разряда 140
4.2.1. Начальные (напряжения возникновения коронного разряда 140
4.2.2. Области существования различных форм коронного разряда в зависимости от частоты 149
4.2.3. Стационарные и нестационарные характеристики зажигания высокочастотного коронного разряда 152
4.2.4. Напряжение угасания 171
4.3. Пробивное напряжение коронирующих воздушных промежутков 172
4.4. Влияние высокочастотного коронного разряда на электрическую прочность воздушных промежутков в условиях дождя 179
Выводы 182
5. Разрядные характеристики керамических изоляторов 184
5.1. Общая характеристика изоляторов 184
5.2. Методика измерения разрядных напряжений изоляторов 187
5.3. Напряжения перекрытия изоляторов в сухих условиях 191
5.4. Разрядные характеристики изоляторов в условиях дождя 199
5.5. Оценка класса напряжения изоляторов 209
Выводы
Заключение 216
Список литературы
- Электрическая прочность некоронирующих воздушных промежутков
- Разрядные напряжения воздушных промежутков в сухих условиях
- Условия накопления положительного объемного заряда
- Особенности высокочастотного коронного разряда
Введение к работе
Актуальность работы. Радиовещательные антенны и антенно-фидерные устройства диапазонов длинных и средних волн представляют собой сложные инженерные сооружения, надежная и бесперебойная работа которых определяется различными факторами. Наряду с чисто радиотехническими и механическими требованиями к антеннам предъявляются требования достаточной электрической прочности. Антенно-фидерные устройства должны быть рассчитаны на передачу требуемой мощности без опасности возникновения электрического пробоя и коронного разряда, что может быть обеспечено правильньм выбором расстояний между элементами, находящимися под напряжением, выбором радиусов кривизны этих элементов, выбором материала, формы и размеров изоляторов и их арматуры. Особую актуальность решение этих задач приобрело в последнее время в связи со значительным увеличением мощности радиопередатчиков, при котором напряжение высокой частоты на элементах конструкций возросло до десятков и даже сотен киловольт.
Создание устройств высокого напряжения, работающих в диапазонах частот, требует знания разрядных характеристик их воздушной и твердой изоляции в зависимости от частоты приложенного напряжения. Длинноволновое и средневолновое радиовещание осуществляется в диапазоне длин волн от 2000 до 200 м, или от 150 до 1500 кГц. Сведения о разрядных характеристиках в указанном диапазоне частот крайне ограничены. Известный экспериментальный материал и полуэмпирические соотношения, связывающие разрядные напряжения с частотой, относятся главным образом к воздушным промежуткам с однородным электрическим полем, крайне редко встречающимся в реальных конструкциях. Реальные элементы конструкций ан- тенно-фидерных систем в большинстве случаев образуют воздушные промежутки с неоднородным электрическим полем, исследование электрической прочности которых при напряжении высокой частоты имеет в настоящее время наибольшее значение.
Внешняя изоляция высоковольтных установок (воздушные промежутки между элементами конструкций, находящихся под различным потенциалом, и поверхность твердых диэлектриков) является определяющей при выборе размеров высоковольтных установок.
Отсутствие систематических и теоретически обоснованных данных по характеристикам внешней изоляции в диапазонах длинных и средних радиоволн определяет необходимость в проведении работ по исследованию электрических разрядов в воздухе при частотах 150-1500 кГц, разработке методики расчета и определению основных размеров элементов внешней изоляции антенно-фидерных систем высокого напряжения. Результаты этих работ приведены в настоящей диссертации.
Цель и задачи исследований. При напряжении высокой частоты разрядные характеристики воздушных промежутков и характер разряда отличаются от полученных при напряжении промышленной частоты. Цель настоящей работы состоит в проведении исследований как разрядных характеристик изоляционных промежутков, так и физических свойств разрядов, влияющих на снижение электрической прочности внешней изоляции.
Элементы конструкций антенных сооружений, фидеры, арматура изоляторов образуют воздушные разрядные промежутки различной конфигурации, которые могут быть разделены на две основные группы, отличающиеся характером разряда: некоронирующие промежутки, в которых пробой происходит при начальном напряжении (электрическое поле однородное и слабонеоднородное), коронирующие промежутки, в которых полному пробою промежутка предшествует коронный разряд (поле резконеоднородное).
Для конструирования высокочастотных установок необходимо располагать сведениями об электрической прочности воздушных промежутков, образуемых элементами конструкций, в зависимости от формы их электрического поля, характера разряда, предшествующего пробою, атмосферных условий и частоты приложенного напряжения.
В качестве твердой изоляции для высокочастотных установок, предназначенных для работы на открытом воздухе, главным образом используются керамические изоляторы. Электрическая прочность изоляторов в указанном диапазоне частот определяется процессами развития разряда в воздухе или вдоль поверхности диэлектрика и зависит от размеров изоляторов, формы электрического поля, образуемого арматурой изоляторов, вида атмосферных осадков, частоты. Разрядные характеристики изоляторов, работающих в широком диапазоне частот на открытом воздухе, исследованы недостаточно.
Таким образом, возникает необходимость экспериментального исследования в широком диапазоне частот разрядных характеристик воздушных промежутков и керамических изоляторов в зависимости от различных факторов.
Помимо проведения экспериментальных исследований необходима разработка теоретических методов оценок электрической прочности воздушных промежутков различной конфигурации, создание практических методов расчета, позволяющих определить на стадии проектирования необходимые для надежной и бесперебойной работы высокочастотных установок изоляционные расстояния и конфигурацию элемен- тов конструкций.
Как уже указывалось, длинноволновое и средневолновое радиовещание осуществляется в диапазоне частот от 150 до 1500 кГц. С целью сопоставления результатов исследования с многочисленными теоретическими и экспериментальными данными при промышленной частоте, а также с результатами других авторов, полученными при напряжении высокой частоты, и для большей общности исследований часть исследований проводилась при более низких частотах в диапазоне 50 Гц - 150 кГц.
Итак, в диапазоне радиочастот от 150 до 1500 кГц были намечены следующие основные задачи:
Исследование влияния частоты на пробивное напряжение не-коронирующих воздушных промежутков с неоднородным электрическим полем.
Исследование основных характеристик коронирующих воздушных промежутков и особенностей высокочастотного коронного разряда.
Исследование разрядных характеристик подвесных и опорных керамических изоляторов, применяемых в антенно-фидерных устройствах.
Разработка методов расчета разрядных напряжений при разных частотах и выбор изоляционных промежутков антенно- фидерных устройств в диапазоне 150-1500 кГц.
Научная новизна. Впервые в диапазоне частот 150-1.500 кГц ..полу-' получены систематические экспериментальные данные по разрядным характеристикам в сухих условиях и под искусственным дождем большой группы воздушных промежутков с неоднородным электрическим полем; получены основные характеристики коронирующих воздушных промежутков (начальные напряжения, напряжения угасания, характеристики зажигания, области существования различных ' форм высокочастотного коронного разряда); получены электриче- ских характеристики'(напряжения перекрытия, напряжения возникновения короны и скользящего разряда) антенных керамических изоляторов в сухих условиях и под дождем.
Установлено, что в воздушных промежутках со слабонеоднородным электрическим полем, так же как и в промежутках с однородным электрическим полем, повышение частоты сверх так называемой первой критической приводит к снижению пробивных напряжений по сравнению с пробивными напряжениями при промышленной частоте. Сопоставление разрядных характеристик воздушных промежутков различных типов показало, что чем больше значение коэффициента неоднородности электрического поля промежутка, тем выше значение первой критической частоты и тем значительнее может быть снижение пробивных напряжений при частотах, превышающих первую критическую.
Впервые снижение пробивных напряжений воздушных промежутков при увеличении частоты рассматривалось как результат выполнения двух основных условий: выполнения условия накопления положительного объемного заряда в промежутке; выполнения условия самостоятельности разряда с учетом электрического поля накопленного заряда.
На основании первого условия разработана методика расчета предельных значений пробивных напряжений некоронирующих воздушных промежутков при различных частотах. На основании решения уравнения самостоятельности разряда (второе условие) рассмотрено влияние положительного объемного заряда на разрядное напряжение в промежутках с неоднородным полем. Определена плотность этого заряда в зависимости от частоты и степени неоднородности электрического поля и предложен метод расчета высокочастотных разрядных - II - напряжений по плотности объемного заряда.
При исследовании коронирующих воздушных промежутков обнаружено снижение начального напряжения высокочастотного коронного разряда, которое при частоте 1500 кГц достигает 2Ъ%. Указан метод оценки температуры воздуха в зоне коронирования по характеристикам зажигания. Показано, что при увеличении частоты напряжение перекрытия воздушных промежутков с резконеоднородным электрическим полем снижается и в предельном случае становится равным начальному напряжению. Установлено, что на проводах диаметром более 2 мм при повышении частоты свыше 150 кГц высокочастотный коронный разряд не имеет бестоковой паузы, происходит непрерывный переход тока коронного разряда одного полупериода в ток коронного разряда другого полупериода.
Впервые проведенные исследования нестационарных характеристик зажигания коронного разряда позволили проследить изменение момента зажигания коронного разряда от периода к периоду с увеличением амплитуды приложенного напряжения и наглядно объяснить падающий характер характеристик зажигания. Сопоставление стационарных и нестационарных характеристик зажигания позволило установить, что изменение стационарных характеристик зажигания коро- , ны при напряжении высокой частоты по сравнению с промышленной частотой определяется уменьшением плотности воздуха, окружающего коронирующий провод.
Установлено, что в сухих условиях рост частоты напряжения приводит к значительному уменьшению напряжения перекрытия изоляторов. Решающее влияние на напряжение перекрытия сухих изоляторов оказывает фор^а электрического поля, которая определяется конетруте цией и качеством изготовления арматуры изоляторов.
Исследования перекрытия стержневых изоляторов под искусствен- ным дождем показало, что на частотах 50 Гц, 15 кГц и 150 кГц механизм перекрытия идентичен. Электрические характеристики изоляторов в диапазоне частот 50 Гц-150 кГц практически не зависят от частоты и определяются тепловыми процессами в пленке воды, покрывающей поверхность изолятора. При напряжении частотой 1500 кГц перекрытие изоляторов происходит в результате образования коронного разряда на каплях и струйках воды, стекающих с арматуры. При всех частотах, на которых исследовались изоляторы, полному перекрытию изолятора предшествует образование высокотемпературного канала разряда.
Практическая ценность. Результаты выполненных в диссертации экспериментальных и теоретических исследований позволили получить разрядные характеристики воздушных промежутков различной конфигурации для сухих условий и искусственного дождя, которые могут быть использованы для проектирования элементов внешней изоляции антенно-фидерных устройств в диапазоне частот 150 -1500 кГц.
При исследовании коронирующих воздушных промежутков установлено, что наличие высокочастотного коронного разряда на элементах антенно-фидерных систем может привести либо к нагреву и повреждению оборудования, либо к полному пробою разрядного промежутка, и поэтому коронный разряд недопустим в радиотехнических установках. Рекомендуется выбор рабочего напряжения антенно-фидерных систем производить таким образом, чтобы оно было ниже напряжения возникновения коронного разряда, определенного для максимальной частоты рабочего диапазона.
Полученные разрядные характеристики керамических изоляторов в сухих условиях и под дождем позволяют выбрать необходимые расстояния вдоль поверхности изоляторов для заданных рабочих - ІЗ - напряжений в случае их применения как в закрытых, так и в наружных установках.
Исследования электрических характеристик керамических изоляторов показали, что рабочее напряжение изоляторов, предназначенных для наружной установки, должно выбираться по напряжению возникновения скользящего разряда.
Результаты исследований использованы при проектировании новых, на повышенные напряжения, изоляторов оттяжек мачт-антенн и изоляторных цепочек для подвеса антенных'сетей'.
Разработанная методика определения электрической прочности некоронирующих воздушных промежутков различной формы в широком диапазоне частот использована при разработке и оптимизации антенно-фидерных устройств различного назначения.
Результаты настоящей работы позволили оценить рабочие напряжения антенных стеатитовых изоляторов, выпускаемых по ГОСТ 10076-75.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе дается общая характеристика внешней изоляции антенно-фидерных систем. Приводится обзор экспериментальных и теоретических исследований разрядных характеристик воздушных промежутков с однородным и слабонеоднородным электрическими полями, исследований коронного разряда и керамических изоляторов при высоких частотах. На основании анализа литературных данных ставятся конкретные задачи по изучению характеристик внешней изоляции антенно-фидерных систем в диапазонах длинных и средних волн.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию разрядных характеристик воздушных промежутков различной формы в сухих условиях и под дождем при различных частотах в диапазоне
50 Гц-1500 кГц. Приводится анализ влияния роста частоты на снижение разрядных напряжений в промежутках с различными коэффициентами неоднородности электрического поля. Полученные разрядные характеристики используются для определения размеров воздушных изоляционных промежутков, работающих в диапазонах длинных и средних радиоволн, как для закрытых, так и для наружных установок.
Третья глава посвящена теоретическому определению зависимости пробивных напряжений некоронирующих воздушных промежутков различной конфигурации от частоты приложенного напряжения -вольт-частотных характеристик. Приводится разработанная на основании полученных условий накопления положительного объемного заряда методика оценки предельного снижения разрядных напряжений при увеличении частоты. Рассматривается уравнение самостоятельности разряда, учитывающее электрическое поле положительного объемного заряда, накопленного в промежутке, определяется плотность этого заряда. Предложена методика расчета высокочастотных разрядных напряжений промежутков с неоднородным электрическим полем по обобщенным характеристикам плотности объемного заряда для различных частот приложенного напряжения.
В четвертой главе рассмотрены особенности высокочастотного коронного разряда. Приводятся результаты экспериментальных исследований начального напряжения, изменения формы коронного разряда при увеличении частоты, стационарных и нестационарных характеристик зажигания, напряжения гашения. Рассматривается влияние высокочастотного коронного разряда на пробивное напряжение коро-нирующих воздушных промежутков.
В пятой главе приводятся результаты исследований электрической прочности керамических изоляторов в сухих условиях и под искусственным дождем. Полученные разрядные характеристики антен- ных стеатитовых изоляторов позволяют оценить их рабочие напряжения в зависимости от частоты как для закрытых, так и для наружных установок, выбрать необходимые расстояния вдоль поверхности керамических изоляторов для разрабатываемых высокочастотных устройств.
Электрическая прочность некоронирующих воздушных промежутков
В качестве антенн для длинноволнового и средневолнового радиовещания используются несимметричные вертикальные вибраторы (штыревые, Г-образные, Т-образные, зонтичные, сложные из нескольких снижений). Для сооружения антенн используются мачты большой высоты (иногда более 300 м /I/). Стволы мачт выполняют трубчатыми, из листовой стали или решетчатыми со стержнями из угловой и круглой стали, труб и реже швеллеров /2/. Мачты удерживаются в вертикальном положении при помощи нескольких ярусов оттяжек. Оттяжками служат стальные оцинкованные канаты из высокопрочной проволоки. Для снижения , действия потенциалов, наводимых антеннами на близко расположенные стальные канаты, последние секционируют изоляторами /2,3/. На рис. І.І в качестве примера схематически изображена простейшая Т-образная антенна.
Наиболее трудная задача - изоляция оттяжек мачт-антенн. Излучаемая мощность современных антенн радиовещательного диапазона возросла от единиц и десятков кВт до 1000 кВт и более /2/. Соответственно возросло и напряжение на антенне - до десятков и даже сотен киловольт. При увеличении напряжения на антенне растет напряжение на изоляторах. Расчет напряжения, приложенного к изоляторам оттяжек, приводится в /4/. При увеличении излучаемой мощности антенны необходимо либо увеличить количество изоляторов, либо применять другие изоляторы на большее напряжение. С увеличением количества изоляторов в оттяжке повышается сече- ние каната, нагрузка на изоляторы достигает иногда 100.10 Н.
При излучении мощности более 1000 кВт обычное число ярусов оттяжек мачты недостаточно по условиям предельной механической нагрузки на изоляторы, поэтому появляются еще один-два яруса, что удорожает строительство антенн /2/. Изоляторы для оттяжек мачт-антенн помтю того, что они должны выдерживать большие механические нагрузки, должны выдерживать приложенное к ним высокочастотное напряжение без явлений пробоя и коронного разряда. Это требование может быть выполнено выбором необходимых изоляционных расстояний, формы и размеров конструктивных элементов, образующих изоляторы оттяжек. На рис. 1.2 в качестве примера приведен чертеж изолятора для оттяжек мачт-антенн на нагрузку 20.10 Н. При разработке новых изоляторов изоляционные расстояния должны быть выбраны в соответствии с рабочим напряжением.
Во многих случаях антенна оказывается удаленной от передатчика на некоторое расстояние. В таких случаях антенна соединяется с передатчиком посредством фидерной системы, состоящей из фидерной линии и переходного устройства между антенной и фидером /3/. К фидерным линиям предъявляются следующие требования общего характера: - потери электромагнитной энергии, передаваемой по фидеру, должны быть минимальны, - линии должны обладать достаточной электрической прочностью, то есть должны быть рассчитаны на передачу требуемой мощности без опасности возникновения электрического пробоя, - фидерные линии должны быть свободны от антенного эффекта, то есть сами по себе не должны излучать или принимать электромагнитные волны.
Требование отсутствия антенного эффекта удовлетворяется тем лучше, чем меньше расстояние между проводами линии. Однако
Изолятор для оттяжек мачт-антенн Крышка 2 1Н шаооа пру шинная чянеу ГОСТ 6402.-64 - 20 слишком сближать провода нельзя из-за опасности их соприкосновения, а также из-за уменьшения электрической прочности линии. Диаметр проводов фидерной линии 3-6 мм, используются медные, бронзовые или биметаллические провода.
Для крепления проводов фидеров и для поддержания расстояния между ними применяются фарфоровые и стеатитовые изоляторы.
Как уже указывалось, одним из основных требований при разработке передающих антенн является недопущение электрического пробоя и коронного разряда с проводов и других элементов антен-но-фидерных систем. Удовлетворить это требование возможно, имея данные по электрической прочности в широком диапазоне частот для воздушных промежутков различной конфигурации и керамических изоляторов, то есть располагая электрическими характеристиками! внешней изоляции антенно-фидерных систем.
Разрядные напряжения воздушных промежутков в сухих условиях
2. Коаксиальные цилиндры. Внешний цилиндр имеет радиус закругления на краю, равный 5 мм. Диаметр внешнего цилиндра 80-400 мм, диаметр внутреннего цилиндра от 20 до 70 мм. 3. Одним электродом промежутка является решетчатая конструкция, верхняя крышка которой - пластина толщиной около 10 мм. Радиус закругления пластины - 5 мм. Второй электрод -цилиндр или трос диаметром до 70 мм. В работе вместо сложной конструкции применялась одна пластина толщиной 10 мм с радиусом закругления 5 мм и шириной 100 мм. 4. Промежуток цилиндр - пластина. В отличие от промежутка 3 пластина расположена широкой стороной параллельно оси цилиндра. Края пластины имеют закругления радиусом 5 мм. 5. Промежуток образован основанием конуса с радиусом закругления основания не менее 5 мм, радиусом окружности основания не менее 300 мм и шиной толщиной не менее 10 мм и шириной до 150 мм. Ось шины параллельна оси конуса. В работе вместо конуса использовался диск диаметром 280 мм и радиусом закругления кромки 5 мм. Шина имела толщину 15 мм, ширину 35 мм. Радиус закругления кромок шины 5 мм. .6. Промежуток образован тем же основанием конуса и тросом или цилиндром диаметром от 30 до 70 мм. В работе использовались трубы из меди или дюралюминия. 7. Защитный промежуток, образованный двумя конусами с радиусами закругления вершин 12 мм. 8. Защитный промежуток конус - плоскость с радиусом закругления вершины конуса 12 мм. Помимо указанных разрядных промежутков испытывались наиболее характерные промежутки: 9. Шар - шар. Диаметр шара 150 мм. 10. Шар - плоскость. 11. Стержень - стержень. Использовались стержни круглого сечения диаметром 10 мм. Концы имели сферические закругления радиусом 5 мм. 12. Стержень - плоскость.
Замена громоздких электродов, таких как решетчатая конструкция и конус, образующих воздушные промежутки 3, 4, б, более простыми, такими как пластина и диск с радиусами закругления кромок 5 мм, возможна с небольшой погрешностью в связи с тем, что начальное напряжение разрядного промежутка определяется главным образом минимальным радиусом кривизны электрода и не зависит от его размеров и формы /4, 55/.
Разрядные напряжения описанных выше промежутков измерялись при частоте 150 кГц. Во всех исследуемых промежутках напряжения появления коронного разряда и пробоя совпадали, за исключением промежутков стержень - стержень и стержень - плоскость. В этих промежутках пробою предшествовал коронный разряд.
В первую очередь рассмотрим разрядные характеристики промежутков шар - шар, стержень - стержень и стержень - плоскость. Эти промежутки характерны тем, что при используемых отношениях межэлектродного расстояния к диаметру шара или стержня они обладают максимальной (шар - шар) или минимальной (стержень плоскость) электрической прочностью. Следовательно, по их разрядным характеристикам можно судить о пределах изменения электрической прочности остальных воздушных промежутков. Разрядные характеристики для промежутков шар - шар и шар - плоскость представлены на рис. 2.4. Там же приведены для сравнения пробивные напряжения шарового разрядника на промышленной частоте . В промежутке шар - шар наблюдается небольшое снижение разрядного напряжения при частоте 150 кГц, начиная с расстояния между электродами 10 мм. В промежутках стержень - стержень и стержень - плоскость, разрядные характеристики которых также представлены на рис. 2.4, пробивные напряжения много меньше, чем при промышленной частоте.
Остальные промежутки можно разбить на несколько следующих групп.
К первой группе относятся промежутки, образованные электродами, имеющими одинаковые либо близкие по значению радиусы кривизны. К таким промежуткам относятся промежутки, образованные цилиндрами различных диаметров с взаимноперпендикулярными и параллельными осями. Для таких промежутков вплоть до расстояния между электродами 20 мм для цилиндров всех диаметров разрядные напряжения не отличаются друг от друга. При больших значениях воздушного зазора разрядные напряжения несколько возрастают с увеличением диаметров цилиндров.
Условия накопления положительного объемного заряда
В неоднородном поле, в котором условия накопления заряда определяются по (3.18), (3.19), (3.20), увеличение напряженности на электроде приводит к увеличению зоны ионизации и увеличению скорости движения ионов, поэтому зависимость частоты накопления заряда от напряженности электрического поля имеет сложный нелинейный характер. В однородном поле и в том случае, когда эффективная ионизация возможна по всей длине промежутка, увеличение напряженности приводит лишь к увеличению скорости движения ионов.
При выполнении условия накопления заряда в промежутке возможен рост этого заряда до тех пор, пока не произойдет пробой промежутка. Заряд может увеличиваться как с ростом, напряжения, приложенного к промежутку, так и с увеличением частоты.
Области накопления положительного объемного заряда
Анализ формул (3.18) и (3.19) показал, что при -pjp —т-1 о о частота накопления заряда стремится к бесконечности. Минимальная частота, при которой выполняются условия накопления положительного пространственного заряда, определяется при Е = EQ г/ \ Р гП+т) т 8Ь і (3.24)
По формулам (3.18), (3.19), (3.20) можно для различных промежутков рассчитать зависимость г = f (Е ) при Е С EQ. Область, ограниченная прямой Е = EQ и зависимостью j = f () (рис.3.2а), представляет собой зону значений f и Е При которых возможно накопление положительного объемного заряда. При частоте напряжения +{ (рис.3.2а) накопление заряда возможно при изменении напряженности электрического поля на электроде от Ej (рис.3.2а) до пробивной напряженности Е,. -Е или до Е в Jo том случае, если влияние накопленного заряда не приводит к снижению начального напряжения.
Для случая неоднородного поля, в котором рост напряженности приводит к увеличению размеров зоны ионизации до размеров межэлектродного расстояния, области накопления заряда показаны на рис.3.26. Границы области накопления заряда для этого случая определяются следующим образом:
Очевидно, что напряженность электрического поля в промежутке не может превышать начальной напряженности Е , определенной из условия самостоятельности разряда при отсутствии объемного заряда. С другой стороны, согласно принятому допущению при напряженности, меньшей С = 66 , не происходит накопления положи кр тельного заряда. Тогда для однородного поля с учетом (3.21) можно построить области, в которых сочетание параметров Е, j , Ь и О обеспечивает выполнение условий накопления заряда в промежутке (рис.3.3а,б,в). Границы этих областей определяются следующим образом:
Минимальная частота jmtn. (рис.3.3a), при которой выполняются у
Минимальная частота jmtn. (рис.3.3a), при которой выполняются условия накопления заряда в промежутке с однородным полем, определяется по формуле (3.21) при Е =оо . Аналогично определяется SmCti при j- = Const» . При заданной частоте Т (рис.3.3а) от тоде. При частоте, равной или большей +0 = , условия копления заряда выполняются при изменении напряженности от дЬ до Е , то есть во всем диапазоне изменения напряженности электрического поля, когда возможна эффективная ионизация. В диапазоне частот от jmCn до jo увеличение напряженности электрического поля не приводит к росту объемного заряда. С одной стороны, уве-. личение напряженности способствует росту коэффициента эффективной ионизации &» рф , то есть к увеличению числа положительных ионов; с другой стороны, ведет к уменьшению доли объемного заряда, который остается в промежутке, в связи с увеличением скорости движения ионов, оставшихся в промежутке, и нейтрализацией их на катоде. Число положительных ионов, оставшихся в промежутке, опре-
Особенности высокочастотного коронного разряда
В предыдущих разделах рассматривалось условие, при выполнении которого в воздушных промежутках с неоднородным электрическим полем может накапливаться положительный пространственный заряд.
Рассмотрим теперь, каким образом накопленный объёмный заряд оказывает влияние на высокочастотное разрядное напряжение и оценим его плотность.
На стадии несамостоятельного разряда в промежутке образуются лавины электронов и медленные положительные ионы, образующие положительный объемный заряд в зоне ионизации. В работе /27/ показано, что искажение поля зарядом, равномерно распределенным в разрядном промежутке, не может привести к наблюдаемым снижениям разрядного напряжения. Естественно, что в промежутках с неоднородным полем лавины электронов, оставляющие положительный объемный заряд, образуются вдоль центральной силовой линии, соответствующей кратчайшему расстоянию между электродами.
Заряд каждой лавины распределен в зоне ионизации по экспоненциальному закону . Однако в результате наложения зарядов серии лавин как отрицательного , так и положительного полупериодов плотность заряда значительно выравнивается. На основании этого считаем, что объемная плотность суммарного положительного заряда, накопленного в зоне ионизации промежутка вдоль центральной силовой линии, постоянна и равна Р .
В результате локального усиления поля в промежутке полем накопленного объемного заряда разряд из несамостоятельного может перейти в самостоятельный, то есть произойдет пробой промежутка. Условие самостоятельности разряда с использованием параболиче - 123 ской аппроксимации коэффициента эффективной ионизации & ъ- рф при 0=1 запишется следующим образом: / afc-g] (3.34) г 9 Р где для возгцуха CL =0,2 см/кВ , Ь =24,5 кВ/см, ГЬ = 2, К = 8,2. Пределы интегрирования задаются координатами границы зоны ионизации: Х0 - радиусом электрода большой кривизны, t.j - радиусом границы зоны ионизации при частоте -Г . Определяем распределение суммарной напряженности электрического поля вдоль центральной силовой линии. Суммарная напряженность электрического поля в точке % центральной силової" линии Е . определяется как сумма напря-женностей внешнего электрического поля, создаваемого ИСТОЧНИКОМц и поля объемного заряда Ё Е Еч/Eoj. (3.35)
При частоте выше критической флюктуации объемного заряда можно не учитывать и поэтому перейти к скалярной величине Е0, .
В зависимости от полярности электрическое поле объемного за У" ряда будет различно влиять на распределение суммарной напряженности Е« в промежутке. При отрицательной полярности Еи (в отрицательный полупериод приложенного напряжения) результирующее поле будет усиливаться около электрода Z0 . Наоборот, при положительной полярности Си будет происходить ослабление результирующего поля в этой зоне. Очевидно, что именно в отрицательный полупериод приложенного напряжения объемны]/! заряд будет приводить к снижению высокочастотного разрядного напряжения по сравнению с разрядным напряжением при промышленной частоте. Учитывая все вышесказанное, уравнение (3.35) можно записать в скалярной форме Тогда без учета поля объемного заряда согласно (3.3) можно записать - 124 F -F ( T с и cMf v г J (3 36) Максимальная напряженность внешнего поля (в точке с координатой t0 ) tMr определяется по высокочастотному разрядному напряжению Ц[ : Mf & (3.37)
Верхний предел интегрирования t/ определяется из (3.36) ПРИ Fи = и = 24,5 кВ/( (3.38)
Представим объемный заряд, накапливающийся в промежутке перед высокочастотным пробоем, в виде цилиндра, расположенного в зоне ионизации, с осью, совпадающей с цетральнои силовой линией, равномерно заряженного с объемной плотностью заряда О .
