Коронный разряд и его применение. Коронный разряд - возникновение, особенности и применение Вред для здоровья от коронного разряда

Возникновение стримеров в объеме между электродами не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа коронный разряд. На рисунке показана схема прибора, с помощью которого можно воспроизвести коронный разряд. В этом приборе тонкая проволока помещается по оси полого металлического цилиндра.

При напряжении между проволокой и цилиндром в пространстве между ними возникает неоднородное электрическое поле с максимальной напряженностью около проволоки. Когда напряженность поля вблизи проволоки приближается к пробивному значению напряженности воздуха (около U п =30 000 В/м) между проволокой и цилиндром зажигается коронный разряд и в цепи пойдет ток, т.е. вокруг проволоки возникает свечение –корона. Внешний вид короны при отрицательном потенциале проволоки (отрицательная корона) несколько отличается от положительной короны.

При отрицательном потенциале проволоки электронные лавины начинаются у проволоки, распространяются к аноду и на некотором расстоянии стримеры обрываются вследствие уменьшения напряженности поля. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней границе (поверхности) короны и движутся по направлению к проволоке. В отличие от искрового разряда в коронном разряде имеет место неполный пробой газового промежутка, так как в нем электронные лавины не проникают через весь слой газа E = .

Внутри корон имеются и положительные, и отрицательные ионы. За пределами короны будут ионы только одного знака: отрицательные при отрицательной короне; положительные ионы при положительной короне.

Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле. Коронный разряд сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Коронный разряд возникает на высоковольтных линиях электропередачи и вызывает утечки электронных зарядов, т.е. электроэнергии.

Применение коронного разряда.

1. Электрическая очистка газов (электрофильтры). Известен такой опыт – сосуд, наполненный дымом, моментально делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, находящиеся под высоким напряжением.

Этот эффект используется для очистки газов. Содержащиеся твердые и жидкие частицы в газе в коронном разряде взаимодействуют с ионами и становятся заряженными частицами (ионы «прилипают» к частицам пыли) и далее направляются к электродам и осаждаются. Кроме того, такие электрофильтры позволяют извлечь из газов многие тонны ценных продуктов в производстве серной кислоты и цветных металлов в линейном производстве.

2.Счетчики электронных частиц.

Напряжение U выбирают таким, чтобы оно было несколько меньше «критического», т.е. необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона он ионизует молекулы газа внутри объема, отчего напряжение зажигания короны понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный импульс тока. Для регистрации сигнала используется чувствительный электрометр Е, каждый раз при попадании частицы (даже одного электрона) в объем счетчика листочки электрометра дают отброс.

§7. Классификация электрических разрядов .

Электрические разряды в газах протекают по-разному, т.е. в разряде реализуется те или иные фундаментальные (элементарные) процессы, которые являются для данного вида разряда и определяют его форму; его характерные особенности.

Как мы уже знаем, имеется ограниченное число элементарных процессов, которые могут реализоваться в объеме газового разряда, еще раз перечислим эти процессы:

1) Столкновения частиц газа результат: обмен энергиями, импульсом, возбуждение атомов, ионизация.

2) Присоединение электронов результат: возникает отрицательный ион, уменьшается концентрации электронов.

3) Рекомбинация результат: рождается излучение (фотон).

4) Получение и испускание излучения в объеме разряда.

5) Диффузия заряженных частиц.

6) Электродные эффекты: термоэлектронная эмиссия; внешний фотоэффект, эмиссия при электронном ударе, эмиссия при ударе положительных ионов: эмиссия при ударе нейтральных атомов; автоэлектронная эмиссия.

Одновременно все эти элементарные – фундаментальные процессы в разрядах не реализуются. В зависимости от условий реализуются только некоторые процессы, и этот набор элементарных процессов определяет основные свойства разряда, т.е. данный вид разряда отличается от другого набором элементарных процессов. Сам этот набор или вид разряда определяется следующими параметрами системы: величиной тока напряжением между электродами; давлением газа, геометрией разрядной камеры, материалом электродов и состоянием их поверхности, температурой электродов и др.

Вид разряда в основном определяется напряжением на электродах, величиной тока разряда и давлением в разрядной камере. При этом напряжение и ток является независимым параметрами системы.

Таким образом, зависимость напряжения от тока становится наиболее важной интегральной характеристикой электрического разряда U = f(I) еще называется вольт-амперной характеристикой разряда. Она формируется в зависимости от внутренних процессов, следовательно, по ней можно определить вид разряда.

Итак, рассмотрим, как один вид разряда переходим в другой вид с помощью вольт-амперной характеристики.

Участок ОВ − несамостоятельный темный разряд, образование носителей тока происходит лишь за счет внешнего ионизатора, на участке ОА реализуется рекомбинация, на АВ − все заряды достигают электродов, рекомбинацией зарядов можно пренебречь.

За точкой В начинается ионизация нейтральных частиц электронным ударом, возникают лавины электронов и ионов. Однако если убрать внешний ионизатор, разряд прекращается. Это несамостоятельный таунсендовский разряд − это участок ВС.

На участок СD заметную роль играют вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, световыми квантами, возбужденными молекулами. Необходимость в поддержании ионизации за счет энергии внешних источников отпадает − разряд становится самостоятельным, его еще называют самостоятельным таунсендовским разрядом (это участок СЕ).

На участке EF таунсендовский разряд переходит в нормальный тлеющий разряд, которому соответствует участок FH. На участок НК с ростом повышается и напряжение. Разряд, соответствующий участку НК называется аномальном тлеющим разрядом.

Далее с ростом тока увеличивается температура катода, усиливается роль термоэлектронной эмиссии, разряд контрагируется и образуется дуговой разряд. Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с катода.

Стационарный тлеющий разряд при низком давлении.

С ростом тока самостоятельный таунселовский разряд (участок СЕF) может развивается по-разному и иметь несколько форм. Если при давлении около 1 мм. рт. ст. разряд происходит между электродами, подключенными к источнику постоянного тока, то реализуется нормальный разряд.

Участок FH вольт-амперной характеристики соответствует тлеющему разряду. Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала вдоль длины межэлектродного промежутка. Распределение потенциала приводит к тому, что тлеющий разряд имеет характерный неоднородный вид, следовательно, и неоднородную структуру, разряд кажется как бы разделенным на части. Тлеющий разряд состоит из прикатодной области, и положительного столба.

Рассмотрим различные части разряда. Начиная от катода к аноду.

Катодная область разряда.

Электроны, необходимые для поддержания разряда, в основном эмитируется при бомбардировке катода положительными ионами. Вторичные электроны выходят, из катода имея, малые скорости, вследствие этого они (вблизи поверхности образуют отрицательный пространственный заряд) еще не имеют достаточные энергии для возбуждения молекул газа, поэтому молекулы не излучают, и непосредственно у поверхности катода образуется темное пространственно, заполненное медленными электронами. Этот очень тонкий несветящийся слой газа называется - темное пространство Астона. Ток в этой области в основном создается положительными ионами.

Далее электрона ускоряются полем, кинетическая энергия электронов становится достаточной для возбуждения молекул газа и это служит причиной возникновения тонкого светящего слоя газа, называемого первым катодным свечением. В этой области электроны при столкновениях частичного или полностью теряют скорость. Поэтому за первым катодным свечением образуется следующее темное катодное пространство. В этой области происходит слабая рекомбинация электронов с положительными ионами, поэтому здесь происходит очень слабое излучение. В темном катодном пространстве электроны сильно разгоняются до скоростей, при которых они интенсивно ионизуют молекул газа, а следовательно, и размножаются.

В конце второго темного катодного пространства число электронов уже настолько велико, что ток почти полностью переносится электронами, и они заметно уменьшают положительный пространственный заряд, даже образуют область отрицательного пространственного заряда. В этой области прекращается дальнейшее ускорение электронов, а энергия накопленная в области второго катодного темного пространства расходуется в основном на интенсивное возбуждение и ионизации молекул. Это происходит в области второго катодного свечения (отрицательное катодное свечение). В результате энергия электронов уменьшается, постепенно в интенсивность возбуждения и ионизации также уменьшается, следовательно, падает число электронов (и за счет рекомбинации и диффузии), настолько, что отрицательный пространственный заряд обращается в ноль. Соответственно изменяется напряженность электрического поля и в точке исчезновения отрицательного заряда Е принимает постоянное значение (около 1 В/см) и не меняется до прианодной области заряда. В этом месте начинается положительный столб тлеющего разряда.

Пространство, занимаемое темным пространством Астона первым катодным свечением и вторым темным пространством, называется областью катодного падения потенциала. Как видно из рисунка, падение потенциала между электродами почти полностью реализуется на незначительном участке у катода. Длина этого участка изменяется обратно пропорционального давления газа. При P = 1 мм рт.ст. dc составляет около 10 мм, а U=100-250 В.

В нормальном тлеющем разряде плотностью тока при увеличение или уменьшение тока разряда остается постоянной. Но зависит от давления Р и изменяется по закону P 2 . Например, при P = 1 мм рт.cт. плотность в среднем j = 0,1 мА/см 2 = 1·10 4 А/см 2 . Но j зависит еще от природы газа и от материала катода. Из I=jS следует, что при малом токе часть площади принимает участие в разряде.

В этих условиях остается постоянным и катодное падение потенциала U k . Для диапазона давлений от 1-10 мм рт.cт. значение U k не зависит от давления и однозначно определяется природой газа и материала катода. Примеры

С ростом тока разряда наступает момент, когда вся площадь катода принимает участие в разряде, с этого момента с дальнейшим ростом тока начинается увеличение катодного падения потенциала. Напряженность поля Е возрастает до тех пор, пока не обеспечивается необходимая ионизация для поддержания роста тока. В этих условиях нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд.

где, k − константа, зависящая от вида газа и материала катода.

Положительный столб.

Положительный столб состоит из плазмы, а плазма является нейтральной электропроводящей средой. Поэтому положительный столб тлеющего выполняет роль обыкновенного проводника, соединяющего прикатодную область с прианодной частью разряда. В отличие от остальных частей тлеющего разряда, которые имеют конкретные размеры, и структуру, зависящие от вида газа, его давления и плотности разрядного тока, длина положительного столба определяется размерами разрядной камеры, а по структуре столб представляет собой ионизированный газ (n e ≈ n i ), т.е. он может иметь любую длину. Напряженность поля порядка 1 В/см, с ростом давления имеет тенденцию возрастать. Напряженность изменяется также при изменении радиуса камеры (трубки) − сжатие разряда увеличивает поле: Е всегда принимает значение, как раз достаточное для поддержания в столбе той степени ионизации, которая нужна для стационарного горения разряда. Энергия в столбе достаточна для ионизации. И процесс ионизации компенсирует убыль электронов и ионов за счет рекомбинации и диффузии с последующей нейтрализация на электродах и на стенках камеры свечение положительного столба связано всеми этими процессами. В отличие от других частей, положительном столбе тлеющего разряда хаотическое движение заряженных частиц преобладает над направленным.

Анодная область.

Анод притягивает электроны из положительного столба и около места привязки образуется отрицательный пространственный заряд и рост напряженности поля, в результате этого происходит перенос тока разряда к поверхности анода. Область анодного падения является пассивной частью разряда. Анод не эмитирует зарядов. Тлеющий разряд может существовать без анодной области, так же без положительного столба. Положительный столб разряда не зависит от приэлектродных процессов. Отличием катодных частей является преобладающе направленное движение электронов и ионов.

Применение тлеющего разряда.

Тлеющий разряд в разряженных газах находит разнообразное применение в газонаполненных выпрямителях, преобразователях, индикаторах, стабилизаторах напряжения, газосветных лампах дневного света. Например, в неоновых лампах (для целей сигнализации) тлеющий разряд используется в неоне, электроды покрывают слоем бария и они имеют катодное падение потенциала порядка 70 В и зажигаются при включении в осветительную сеть.

В лампах дневного света тлеющий разряд происходит в парах ртути. Излучение ртутного пара поглощается слоем люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность газосветной трубки.

Тлеющий разряд используется также для катодного распыления металлов. Поверхность катода при тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами газа сильно нагревается в отдельных малых участках и поэтому постепенно переходит в парообразное состояние. Помещая предметы вблизи катода разряда, их можно покрыть равномерным слоем металла.

В последние годы тлеющий разряд находит применение в плазмохимии и лазерной технике. В них тлеющий разряд используется в аномальном режиме при повышенном давлении.

1. p = 6,7 кПа ≈ 50 мм. рт. ст.

v = 15,7 м/c

2. p = 8 кПа ≈ 60 мм. рт. ст.

v = 21м/c

Типичные вольт - амперные характеристики тлеющего разряда в поперечном потоке воздуха.

1 мм. рт. ст. = 133 Па. 1кПа=1000/133 = 8мм.рт.ст.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Коро́нный разря́д - это самостоятельный газовый разряд , возникающий в резко неоднородных полях у электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Зона вблизи такого электрода характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Когда напряжённость поля достигает предельного значения (для воздуха около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид короны . При коронном разряде ионизационные процессы происходят только вблизи коронирующего электрода. Коронный разряд возникает при сравнительно высоком давлении воздуха (порядка атмосферного).

В природных условиях коронный разряд может возникать на верхушках деревьев, мачтах - так называемые огни святого Эльма .

Механизм коронного разряда

Электрон , возникший при случайной ионизации нейтральной молекулы, ускоряется в электрическом поле и приобретает энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении со следующей молекулой ионизовать её. В результате происходит лавинное увеличение числа заряженных частиц.

катодом , такую корону называют отрицательной. В отрицательной короне ионизационные лавины направлены от острия. Воспроизведение свободных электронов обеспечивается здесь за счёт термоэмиссии из коронирующего электрода. На некотором удалении от острия, там где электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию, электроны рекомбинируют с нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые и являются носителями тока во внешней области.

Если коронирующее остриё является анодом , такую корону называют положительной. В положительной короне электроны притягиваются к острию, а ионы отталкиваются от него. Воспроизведение электронов, запускающих ионизационную лавину, обеспечивают вторичные фотопроцессы в газе вблизи от острия. Вдали от коронирующего электрода электрическое поле является недостаточным, чтобы обеспечивать лавинную ионизацию. Носителями тока в этой области являются положительные ионы, движущиеся от острия к отрицательному электроду. В отличие от ровного свечения отрицательной короны, в положительной короне иногда наблюдаются разбегающиеся от острия стримеры , которые при увеличении напряжения превращаются в искровые каналы.

Применение

Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и сопутствующих загрязнений (электростатический фильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях).

Коронный разряд применяется в копировальных аппаратах (ксероксах) и лазерных принтерах для заряда светочувствительного барабана, переноса порошка с барабана на бумагу и для снятия остаточного заряда с барабана.

Коронный разряд применяется для определения давления внутри лампы накаливания. Величина разряда зависит от острия и давления газа вокруг него. Острие у всех ламп одного типа - это нить накала. Значит, коронный разряд будет зависеть только от давления. А значит, о давлении газа в лампе можно судить по величине коронного разряда.

Коронный разряд на проводах ЛЭП

Коронный разряд на проводах линий электропередачи вызывает значительные потери передаваемой энергии . С целью сокращения потерь на общую корону применяется расщепление проводов ЛЭП на несколько составляющих, в зависимости от номинального напряжения линии.

«Системный» способ уменьшения потерь мощности на корону заключается в том, что в зависимости от влажности и температуры воздуха диспетчер уменьшает напряжение в линии до определенной величины. В связи с этим задаются наименьшие допустимые сечения по короне:

• 110 кВ - 70 мм² (сейчас рекомендуется использовать сечение 95 мм²).
• 150 кВ - 120 мм².
• 220 кВ - 240 мм².

См. также

Напишите отзыв о статье "Коронный разряд"

Литература

• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М .: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3 .

Отрывок, характеризующий Коронный разряд

На дворе еще было совсем темно. Дождик прошел, но капли еще падали с деревьев. Вблизи от караулки виднелись черные фигуры казачьих шалашей и связанных вместе лошадей. За избушкой чернелись две фуры, у которых стояли лошади, и в овраге краснелся догоравший огонь. Казаки и гусары не все спали: кое где слышались, вместе с звуком падающих капель и близкого звука жевания лошадей, негромкие, как бы шепчущиеся голоса.
Петя вышел из сеней, огляделся в темноте и подошел к фурам. Под фурами храпел кто то, и вокруг них стояли, жуя овес, оседланные лошади. В темноте Петя узнал свою лошадь, которую он называл Карабахом, хотя она была малороссийская лошадь, и подошел к ней.
– Ну, Карабах, завтра послужим, – сказал он, нюхая ее ноздри и целуя ее.
– Что, барин, не спите? – сказал казак, сидевший под фурой.
– Нет; а… Лихачев, кажется, тебя звать? Ведь я сейчас только приехал. Мы ездили к французам. – И Петя подробно рассказал казаку не только свою поездку, но и то, почему он ездил и почему он считает, что лучше рисковать своей жизнью, чем делать наобум Лазаря.
– Что же, соснули бы, – сказал казак.
– Нет, я привык, – отвечал Петя. – А что, у вас кремни в пистолетах не обились? Я привез с собою. Не нужно ли? Ты возьми.
Казак высунулся из под фуры, чтобы поближе рассмотреть Петю.
– Оттого, что я привык все делать аккуратно, – сказал Петя. – Иные так, кое как, не приготовятся, потом и жалеют. Я так не люблю.
– Это точно, – сказал казак.
– Да еще вот что, пожалуйста, голубчик, наточи мне саблю; затупи… (но Петя боялся солгать) она никогда отточена не была. Можно это сделать?
– Отчего ж, можно.
Лихачев встал, порылся в вьюках, и Петя скоро услыхал воинственный звук стали о брусок. Он влез на фуру и сел на край ее. Казак под фурой точил саблю.
– А что же, спят молодцы? – сказал Петя.
– Кто спит, а кто так вот.
– Ну, а мальчик что?
– Весенний то? Он там, в сенцах, завалился. Со страху спится. Уж рад то был.
Долго после этого Петя молчал, прислушиваясь к звукам. В темноте послышались шаги и показалась черная фигура.
– Что точишь? – спросил человек, подходя к фуре.
– А вот барину наточить саблю.
– Хорошее дело, – сказал человек, который показался Пете гусаром. – У вас, что ли, чашка осталась?
– А вон у колеса.
Гусар взял чашку.
– Небось скоро свет, – проговорил он, зевая, и прошел куда то.
Петя должен бы был знать, что он в лесу, в партии Денисова, в версте от дороги, что он сидит на фуре, отбитой у французов, около которой привязаны лошади, что под ним сидит казак Лихачев и натачивает ему саблю, что большое черное пятно направо – караулка, и красное яркое пятно внизу налево – догоравший костер, что человек, приходивший за чашкой, – гусар, который хотел пить; но он ничего не знал и не хотел знать этого. Он был в волшебном царстве, в котором ничего не было похожего на действительность. Большое черное пятно, может быть, точно была караулка, а может быть, была пещера, которая вела в самую глубь земли. Красное пятно, может быть, был огонь, а может быть – глаз огромного чудовища. Может быть, он точно сидит теперь на фуре, а очень может быть, что он сидит не на фуре, а на страшно высокой башне, с которой ежели упасть, то лететь бы до земли целый день, целый месяц – все лететь и никогда не долетишь. Может быть, что под фурой сидит просто казак Лихачев, а очень может быть, что это – самый добрый, храбрый, самый чудесный, самый превосходный человек на свете, которого никто не знает. Может быть, это точно проходил гусар за водой и пошел в лощину, а может быть, он только что исчез из виду и совсем исчез, и его не было.
Что бы ни увидал теперь Петя, ничто бы не удивило его. Он был в волшебном царстве, в котором все было возможно.
Он поглядел на небо. И небо было такое же волшебное, как и земля. На небе расчищало, и над вершинами дерев быстро бежали облака, как будто открывая звезды. Иногда казалось, что на небе расчищало и показывалось черное, чистое небо. Иногда казалось, что эти черные пятна были тучки. Иногда казалось, что небо высоко, высоко поднимается над головой; иногда небо спускалось совсем, так что рукой можно было достать его.
Петя стал закрывать глаза и покачиваться.
Капли капали. Шел тихий говор. Лошади заржали и подрались. Храпел кто то.
– Ожиг, жиг, ожиг, жиг… – свистела натачиваемая сабля. И вдруг Петя услыхал стройный хор музыки, игравшей какой то неизвестный, торжественно сладкий гимн. Петя был музыкален, так же как Наташа, и больше Николая, но он никогда не учился музыке, не думал о музыке, и потому мотивы, неожиданно приходившие ему в голову, были для него особенно новы и привлекательны. Музыка играла все слышнее и слышнее. Напев разрастался, переходил из одного инструмента в другой. Происходило то, что называется фугой, хотя Петя не имел ни малейшего понятия о том, что такое фуга. Каждый инструмент, то похожий на скрипку, то на трубы – но лучше и чище, чем скрипки и трубы, – каждый инструмент играл свое и, не доиграв еще мотива, сливался с другим, начинавшим почти то же, и с третьим, и с четвертым, и все они сливались в одно и опять разбегались, и опять сливались то в торжественно церковное, то в ярко блестящее и победное.

Коронный разряд , или корона – это самостоятельный разряд, возникающий в резко неоднородных полях, в которых ионизационные процессы могут происходить только в узкой области вблизи электродов. К такого рода полям относится и электрическое поле проводов воздушных линий электропередачи.

Начальная напряженность коронного разряда определяется для проводов радиусом r по формуле:

которая справедлива при отрицательной полярности провода, однако может использоваться и при положительной полярности, поскольку влияние полярности невелико.

При малых радиусах проводов (г 0 < 1 см ) можно использовать формулу
Ф. Пика

. (2)

В формулах (1) и (2) Е н выражается в киловольтах на сантиметр (кВ/см );
r 0 – в сантиметрах (см ); т – коэффициент гладкости провода. На линиях электропередачи применяются провода, свитые из большого числа проволок. Витые провода не имеют гладкой поверхности (рис. 1), поэтому при одинаковых с гладкими проводниками напряжениях и внешних диаметрах напряженность электрического поля вблизи их поверхности бывает выше и корона возникает при меньшем напряжении. При определении начальной напряженности коэффициент гладкости т учитывает форму поверхности витого провода. Для проводов различных марок коэффициент гладкости т = 0,82…0,94.

Рис. 1. Электрическое поле у поверхности многожильного провода

При коронном разряде в результате ионизации воздуха у поверхности провода образуется объемный заряд того же знака, что и полярность напряжения на проводе (рис. 2).

Рис. 2. Распределение объемного заряда при униполярной короне на проводе

Напряженность поля у поверхности провода во время коронирования остается равной Е н. Увеличение напряжения па проводе приводит к усилению ионизационных процессов, росту объемного заряда и снижению напряженности до Е н .

Вследствие увеличения объемного заряда потери энергии на корону растут тем в большей степени, чем больше напряжение на проводе превосходит начальное напряжение короныr:

, (3)

где Н – высота одиночного провода над землей.

Так как объемный заряд при любой полярности провода перемещается от провода к земле, напряженность поля у поверхности провода стремится увеличиться. Однако из-за усиления при этом ионизации воздуха объемный заряд вблизи провода пополняется и напряженность поля в итоге сохраняется равной Е н. Таким образом, вследствие непрерывного удаления объемного заряда от провода коронный разряд может поддерживаться неограниченно долго.

Движение ионов под действием сил электрического поля образует ток в промежутке между коронирующим проводом и землей. Для передвижения ионов необходимы затраты энергии, которые и определяют в основном потери энергии на корону, поскольку затраты энергии на ионизацию воздуха меньше.

При больших диаметрах проводов напряженность электрического поля в окрестности провода уменьшается значительно медленнее, чем вблизи проводов малого диаметра. Поэтому зона ионизации – «чехол» короны – имеет большие размеры, и даже при начальном напряжении лавины могут достигать критической длины. Корона в этом случае возникает сразу в стримерной форме; структура зоны ионизации дискретна, светятся многочисленные стримерные каналы.

На проводах малых диаметров (до 1 см ) корона возникает в лавинной форме. Зона ионизации достаточно однородна, свечение сосредоточено в узком чехле. Однако при увеличении напряжения сверх начального размеры зоны ионизации возрастают и корона из лавинной переходит в стримерную.

Ток стримерной короны состоит из отдельных импульсов с очень крутым фронтом (длительность фронта – порядка десятков наносекунд). Эта высокочастотная составляющая тока короны является источником интенсивного электромагнитного излучения с широким спектром частот, которое создает помехи радио- и телевизионному приему. При коронировании проводов линий сверхвысокого напряжения может также возникать звуковой эффект, особенно сильный при дожде.

При коронировании двух разноименно заряженных проводов (рис. 3) ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. В области пониженной напряженности поля – посередине между проводами – происходит частичная рекомбинация ионов. Значительная же их часть проникает в зону короны противоположной полярности, усиливая там поле. В результате этого интенсивность ионизации возрастает, ток короны, а следовательно, и потери энергии увеличиваются. Такой режим коронирования называется биполярной короной в отличие от униполярной короны показанной на рис. 2.

Рис.3. Распределение объемных зарядов при биполярной короне на проводах

При переменном напряжении корона зажигается в момент, когда напряженность поля у провода достигает значения Е н , и горит, пока напряжение не достигает максимума. После этого напряженность поля у провода становится ниже Е н и корона потухает. Поскольку ионы имеют малую подвижность и напряженность поля у провода в каждый последующий полупериод усиливается объемным зарядом, оставшимся от предшествующего полупериода, мгновенное значение напряжения, при котором корона зажигается в каждый полупериод (напряжение зажигания), меньше начального напряжения. Зависимость напряжения зажигания от амплитуды напряжения на проводе называется характеристикой зажигания короны. Чем выше напряжение на проводе, тем больше напряжение зажигания отличается от начального. При переменном напряжении коронирование проводов более интенсивно, чем при постоянном напряжении, и при равных условиях потери энергии на корону существенно больше.

На характеристики коронного разряда (начальное напряжение, потери энергии и радиопомехи) значительное влияние оказывают погодные условия. Атмосферные осадки усиливают напряженность электрического поля у провода, образуя на его поверхности водяные или ледяные выступы и острия. Начальное напряжение короны при этом резко снижается. Коэффициент гладкости провода должен учитывать изменение состояния провода при атмосферных осадках. Для оценки начальной напряженности по (1) можно принять коэффициент гладкости провода при инее, гололеде и изморози m = 0,6. В условиях дождя или снега коэффициент гладкости зависит от интенсивности осадков и принимается в пределах
m = 0,57…0,73.

Коронный разряд - это явление, связанное с ионизацией воздуха в электрическом поле с высокой напряженностью (свечение газов в неоднородном электрическом поле высокой напряжённости).

Области с высокой напряженностью часто образуются вследствие неоднородности электрического поля, возникающей:

1) При выборе неверных параметров в процессе конструирования;

2) В результате загрязнений, возникающих в процессе работы;

3) В результате механических повреждений и износа оборудования.

Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряженность поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название). Коронный разряд применяется для очистки газов от пыли и других загрязнений (электрофильтр), для диагностики состояния конструкций (позволяет обнаруживать трещины в изделиях). На линиях электропередачи возникновение коронного разряда нежелательно, так как вызывает значительные потери передаваемой энергии. С целью уменьшения относительной кривизны электродов применяются многопроводные линии (3, 5 или более определенным образом расположенных проводов).

Типы корон и их идентификация

Отрицательная "подобная пламени" корона. Этот тип короны обычно имеет место на проводнике, заряженном отрицательно, например, во время отрицательной полуволны напряжения сети. Этот тип короны выглядит как пламя, форма, направление и размер которого постоянно изменяются. Эта корона очень чувствительна к изменению параметров окружающей среды. Ее возникновение также приводит к появлению звукового сигнала примерно удвоенной промышленной частоты (например, 100 Гц) или кратной ей.

Пробои

Пробои обычно образуются между двумя изолированными, но находящимися близко друг от друга металлическими пластинами. Ток утечки вдоль опоры индуцирует определенные уровни напряжения между пластинами и, таким образом, разряд между ними. Эти разряды обычно трудны для локализации, так как нет прямого их соединения с высоковольтной линией. В камере CoroCAM эти искровые промежутки будут выглядеть как небольшие, постоянные и очень яркие объекты. Звук, который возникает при этих разрядах, имеет более высокий тон, чем у отрицательных корон, и кажется несвязанным с промышленной частотой. Искровые промежутки обычно вызывают большие радио- и телевизионные помехи (например, высокие RI – radio interference).

Положительный тлеющий коронный разряд

Положительный тлеющий коронный разряд образуется на проводнике, заряженном положительно, (например, во время положительной полуволны напряжения сети). Он обычно встречается в местах с острыми углами. Этот тип короны имеет небольшой размер и выглядит как свечение вокруг определенного места. Это относительно слабый источник коронного разряда, и он создает очень незначительный звуковой сигнал.

Насколько серьезна корона/разряд с точки зрения возникновения напряжения радиопомех (RIV)?

Общие замечания:

Все искровые промежутки являются причиной серьезных радиопомех.

Если корона полностью видима невооруженным глазом (ночью), то она вызовет серьезные радиопомехи. (Используйте камеру CoroCAM для быстрой локализации всех источников коронного разряда, а затем постарайтесь увидеть их невооруженным глазом.)

Положительный тлеющий коронный разряд не вызывает серьезных радиопомех.

Применение коронного разряда

Электрическая очистка газов (электрофильтры).

Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной, а все твердые и жидкие частицы будут осаждаться на электродах. Объяснение опыта заключается в следующем: как только и проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы прилипают к частицам пыли и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, заряженные частицы пыли движутся под действием поля к электродам, где и оседают.

Счетчики элементарных частиц.

Счетчик элементарных частиц Гейгера – Мюллера состоит из небольшого металлического цилиндра, снабженного окошком, закрытым фольгой, и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник тока, напряжение которого равно нескольким тысячам вольт. Напряжение выбирают необходимым для появления коронного разряда внутри счетчика.

При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизирует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток. Чтобы обнаружить его, в цепь вводят очень большое сопротивление (несколько мегаом) и подключают параллельно с ним чувствительный электрометр. При каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листка электрометра будут откланяться.

Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Громоотвод

Подсчитано, что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. И хотя вероятность поражения молнией какого-либо отдельного человека ничтожно мала, тем не менее молнии причиняют немало вреда. Достаточно указать, что в настоящее время около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.

Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.

Под действием коронного разряда

Электрофильтры – наиболее эффективные газоочистительные аппараты, т.к. эксплуатационные расходы на их содержание, по сравнению с другими пыле- и золоуловителями, гораздо ниже. При этом электрофильтры наиболее полно отвечают требованиям абсолютного пылеулавливающего устройства.

Установка для электрической очистки газов включает в себя электрофильтр и агрегат питания. Подлежащий очистке газ поступает в электрофильтр, на электроды которого подается высокое напряжение, между электродами возникает коронный разряд, вследствие чего происходит заполнение межэлектродного пространства отрицательно заряженными ионами газа, которые под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным.

Осадительные электроды подразделяются на пластинчатые, трубчатые, коробчатые, прутковые, карманные, желобчатые, С-образные, тюльпанообразные и т.д.

По способу удаления пыли электрофильтры делятся на мокрые и сухие. В сухих электрофильтрах встряхивание электродов производится ударно-молотковым, ударно-импульсным, вибрационным способами и др. В мокрых электрофильтрах осуществляется периодическая или непрерывная промывка электродов. По направлению движения очищаемого газа электрофильтры подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Кроме того, электрофильтры бывают однозонными, в которых зарядка и осаждение частиц осуществляется в одной зоне, и двухзонными – в них зарядка и осаждение осуществляются в разных зонах: ионизаторе и осадителе.

Трубчатый электрофильтр Стюртевант

По принципу создания коронного разряда электрофильтры бывают с фиксированными точками коронного разряда и нефиксированным коронным разрядом.

По типу систем коронирующих электродов электрофильтры можно разделить на две основные группы: с рамными коронирующими электродами и со свободно подвешенными коронирующими электродами. Встряхивание осадительных и коронирующих электродов осуществляется с помощью соударения, ударно-молоткового встряхивания, ударно-импульсной системы, вибрационных механизмов, периодической и непрерывной промывки.

Физика коронного разряда подробно рассмотрена в книге Н.А.Капцова «Коронный разряд и его применение в электрофильтрах», изданной в 1947 г. Явление электрического разряда в газах объясняется несколькими теориями разряда. Основание перво теории – теории лавин – было положено Таунсендом в 1900 г. Спустя 30 лет она получила дальнейшее развитие в трудах Роговского и, как пишет Н.А.Капцов, «и до настоящего времени служила основой при объяснении явлений коронного разряда». Вторая теория – теория газоразрядной плазмы – с 1924 г. разрабатывалась Ленгрюмом и его школой, но, по мнению Н.А.Капцова, к объяснению физики коронного разряда не имеет прямого отношения. Третья теория – теория изотермической плазмы – разрабатывалась в довоенные годы Эленбасом и другими голландскими физиками.

Коронный разряд - самостоятельный разряд, который возникает только при условии очень большой неоднородности электрического поля хотя бы у одного из электродов (острие - плоскость, нить - плоскость, две нити, нить в цилиндре большого радиуса и т.д.). Условия возникновения и развития короны различные при разной полярности «острия» (назовем так электрод, вблизи которого Е сильно неоднородно).

Если острие - катод (корона «отрицательная»), то зажигание короны по существу происходит так же, как в тлеющем разряде, только для определения первого коэффициента Таунсенда  (так как поле Е сильно неоднородное) в воздухе (практически важный случай) надо учитывать прилипание (наличие кислорода), так что

((x )- п (x ))dx =ln(l+ -1), (8.26)

где  п - коэффициент применения, x 1 - расстояние до точки, в которой Е уже так мало, что ионизация не происходит: Е  0. В такой короне есть свечение только до расстояния, тоже примерно, равного x 1 . Если «острие» - анод (корона «положительная»), то картина существенно меняется: около острия наблюдаются светящиеся нити, как бы разбегающиеся от острия (рис. 8.9). Вероятно, это стримеры от лавин, зарожденных в объеме фотоэлектронами. Очевидно, что и критерий зажигания другой - такой, как для образования стримера. В любом коронном разряде существенна неоднородность Е, т.е. конкретная геометрия электродов.

Полной ясности в механизме горения разряда нет, но это не мешает применению коронных разрядов в промышленности (электрофильтры); в счетчиках Гейгер-Мюллера тоже работает коронный разряд. Но он бывает и вреден, например, на высоковольтных линиях (ЛЕП) коронные разряды создают заметные потери.

Короны бывают прерывистыми с различными частотами: у положительных до 10 4 Гц, у отрицательных - 10 6 Гц - а это радиодиапазон помехи. Механизм прерывистости разряда у положительной короны, видимо, связан с тем, что электроны стримеров втягиваются в анод, положительные остовы экранируют анод, новые стримеры не могут создаваться, пока остовы не уйдут к катоду. Тогда анод «откроется» и картина повторится. Для отрицательной короны существенно наличие в воздухе кислорода - немного отойдя от короны электроны прилипают к кислороду, отрицательные ионы экранируют острие, и пока они не уйдут к аноду, разряд прекращается. После ухода ионов разряд возникнет вновь и картина повторится.

Рис. 8.9. Стример от положительного стержня диаметром 2 см на плоскость на расстоянии 150 см при постоянном напряжении 125 кВт; справа - расчет, проведены эквипотенциальные поверхности, цифры около кривых - доли от приложенного напряжения, отсчитанные от плоскости; слева - фотография стримеров в тех же условиях

Высокочастотные (вч) разряды

В ВЧ-диапазоне (10 -1  10 2 МГц) принято различать Е и Н типы разрядов - по определяющему вектору электромагнитного поля. В лазерной технике используют Е (емкостные) разряды, помещая рабочий объем в конденсатор, к пластинам которого подводят ВЧ-напряжение (пластины иногда прямо вводят в объем, иногда изолируют диэлектриком - обычно стеклом). Мощности этих разрядов небольшие (их задача поддержать ионизацию), но напряженности Е велики - до десятков кэВ.

Применение ВЧ индукционных полей (Н -полей) уже с конца 40-х г. стало весьма широким, хотя, в основном, в виде ВЧ-печей. Везде, где нужно чистое тепло и есть проводящая среда, Н поля незаменимы. Это и производство полупроводниковых материалов, и зонная плавка чистых металлов, и сверхчистые химические соединения и даже бытовые печи.

Рис. 8.10. Индукционный разряд в трубке радиусом R , вставленной в длинный соленоид; r 0 - радиус плазмы, справа - распределение температуры по радиусу

Правда, в этих устройствах почти нет необходимости согласования генератора и нагрузки - соотношение реактивного и активного сопротивлений нагрузки меняется мало. А вот в разрядах дело сложнее: изменение параметров среды разряда (сопротивление, самоиндукция, взаимоиндукция - связь с индуктором) могут меняться в широких пределах. Обычно индуктор - катушка (бывает и один виток!), внутри которой и происходит разряд (рис. 8.10).

Переменное поле направлено вдоль оси катушки, поле аксиально к ней. Для поддержания разряда нужное существенно меньше, чем для его зажигания. Поэтому обычно вводят в объем тонкий металлический электрод, он разогревается, дает термоэлектроны (иногда частично испаряется), инициирует разряд, после чего его удаляют. Во время работы мощность вводится потоком электромагнитной энергии:

< S > = (с/4  )<ЕН >, (8.27)

а отводится чаще всего потоком газа (он ионизуется и уносит энергию). Но электромагнитная энергия проникает в плазму (проводник) на глубину х, спадая по экспоненте ехр(-х/), где  - так называемый скинслой, и его условились считать глубиной проникновения потока:

 2 = c 2 /(2) , (8.28)

где с - скорость света,  - проводимость проводника,  - частота ВЧ

Если  < R , то энергия поглощается, в слое толщиной δ, образуя проводящий цилиндр. Распределение по радиусу температуры Т и проводимости σ представлены на рис. 8.11, по существу, это полный аналог каналовой модели дуги, ее называют «моделью металлического цилиндра». Следует отметить, что реально можно управлять давлением р (желательно побольше!) и потоком <ЕН>, определяемым ампервитками:

<ЕН> ~ IN (где I - ток, N - число витков на единицу длины индуктора).