Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

140 Глава 6. Импульсный разряд в газе

15. Месяц Г.А., Бычков Ю.И, Кремнев В.В. Импульсный наносекундный электрический

разряд

газе

УФН. 1972. Т. 107, вып. 2. С. 201-228.

16.

Гуревыч

А.В. К теории эффекта убегающих электронов

ЖЭТФ. 1960. Т. 39, вып. 5 (11).

С. 1296.

17. Котре Л, ШШ Ж ЦЬег

ёаз

Тбер1егзсЬе Рипкеп§езе*2

2*зсЬг. РЬуз. 1944. Вё. 122, Н. 9.

8. 636.

18. Андреев С.И, Ванюков

М.П.

Применение искрового разряда для получения интенсивных

световых вспышек длительностью 10~

—10

-8

с. I. Исследование электрических процессов в

искровом

разряде наносекундной длительности

ЖТФ. 1961. Т. 31, вып. 8. С. 961-974.

19.

СгйпЬег% К.

Сезе12ша(31§ке11еп

УОП

Рипкепеп11аёип§еп [т ЫапозекипёепЬегеюЬ // 21зсЬг.

ЫаШг&гзсЬ. А. 1965. Вё. 20, Н. 2. 8.202-212.

20. Драбкина С.И. К теории развития канала искрового разряда // ЖЭТФ. 1951. Т. 21,

№

С. 473-483.

21. Брагинский

С.И.

теории

канала

искры //

ЖЭТФ. 1958. Т. 34,

№

6. С. 1548-1557.

22.

ТНо11

Я, 8апйег/.,

МагИпеп Н.

Ете

аШотагёзсЬе АррагаШг тш бгШсЬ ипё теШюЬ

аи%е1бз{еп

8рек*го5кор1е

ап

Рипкепепйаёип§еп

// 21зсЬг.

МаШг&гзсЬ.

1970.

А. Вё. 25, Н. 3. 8.412-420.

23.

КоррНг У.

гаё1а1е ипё

ах1а1е

Еп1луюк1ип§ ёез ЬеисЬ*епз 1т Рипкепкапа1, игйегзисЬ* тк

етег\МзсЬкатега//1Ыё. 1967. Вё. 22, Н. 11. 8. 1089-1097.

24. Месяц Г.А., Ковальчук Б.М., Поталицын Ю.Ф. А. с. 356824 СССР. Способ осуществле-

ния электрического разряда в газе. Заявл. 20.02.70; Опубл. 23.10.72 // Открытия,

изобрет., пром. образцы, товар, знаки. 1972.

№

32. С. 171.

25.

Ковальчук

Б.М,

Кремнев

В.В.,

Месяц Г.А.

Лавинный разряд в газе и генерирование нано- и

субнаносекундных импульсов

большого тока // ДАН

СССР.

1970.

Т.

191, № 1.

С. 76-78.

26.

Коуа1сИикВ.М.,

Кгетпеу КК, Мевуаи С.А.,

РоШШзуп Уи.Е

01$сЬаг§е т №§Ь Ргеззиге Оаз

1пШа*её

Ьу Раз*

Е1ес1гоп

Веат

Ргос. X1СРЮ. ОхГогё, 1971. Р. 175.

27. Магсиз 8. Ехсйайоп оГ а Ьоп§-Ри1зе СОг-Ьазег

шХЪ.

а 8ЬоЛ-Ри1зе Ьоп§1йкНпа1 Веат //

. Арр1. РЬуз. Ье«. 1972. Уо1. 21, N 1. Р. 18-19.

28. ЕеШетаскег С.А., №иег МУ., Ье1аМ ЖТ., Воуег К. Е1ес1гоп-Веат СопйгоИеё Е1есМса1

В13сЬаг§е аз а Мейюё

оГ

Ритрт§ Ьаг§е Уо1итез оГ С0

-Ьазег Меё1а а! Ш§Ь Ргеззиге //

1Ыё. 1972. Уо1. 20, N 2. Р. 56-60.

29. Месяц Г.А., Королев Ю.Д. Объемные разряды высокого давления в газовых лазерах //

УФН. 1986. Т. 148, вып. 1. С. 101-122.

30. 8шИк К.С. 11зе оГЕ1ес*гоп Васкзса«епп§ Гог 8тооЙпп§ {Ье 015сЬаг§е т Е1есйгоп-Веат-

СотгоПеё Ьазегз //Арр1. РЬуз. Ье«. 1974. Уо1. 25, N 5. Р. 292-295.

31. Евдокимов О.Б., Месяц Г.А., Пономарев В.Б. Объемный разряд в газе, возбуждаемый

электронным пучком, в условиях неоднородной ионизации

Физика плазмы. 1977. Т. 3,

вып. 2. С. 357-364.

32.

Тгеп%

К,

КипкагЖ Е.Е.

Е1ес*гоп Веат Тп§§епп§

о? Оаз

РШеё 8рагк Оарз // Оаз В1зсЬаг§е

С1озт§ 8^ксЬез / Её. Ьу О. ЗсЬаеГег, М. Йпзйапзеп,

апё

А. ОиепЛег. Ы.У.: Р1епит ргезз,

1990. Р. 125-144.

33. Лаву а Л., Паркер Ш.

Рей Ч., Шварц Д.М. Импульсная система для искровых камер //

Приборы для науч. исслед. 1964.

№

11. С. 184-189.

34.

Мюллер Э.В.

Автоионизация

и автоионная

микроскопия

УФН. 1962. Т. 77, вып. 3. С. 481.

35.

Рубчинский

А.В. Исследования в области электрического разряда в газах // Тр. Всесоюз.

Электротехн. ин-та им. В.И. Ленина. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1958. Вып. 61: Низкие темпе-

ратуры

и редкие газы / Под общ.

ред. В.Г. Фастовского. С. 54.

36.

ВиПгаш М.Т.,

Затрауап 8. Кереййуе 8рагк Оар 8\уйсЬез //Оаз 015сЬаг§е С1озт§ 8\уксЬез/

Её. Ьу О. ЗсЬаеГег, М. Кпзйапзеп,

апё

А. ОиепЛег. МУ: Р1епит

ргезз,

1990. Р. 289-324.

Глава 7

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ЖИДКОСТИ

§7.1 Общие сведения

Развитие представлений об электрическом разряде в жидкостях прошло

сложный путь и всегда отставало от физики газового и вакуумного разряда.

Еще в начале XX столетия определились два принципиально различных подхо-

да к явлению электрического разряда в жидкостях (ЭРЖ). Согласно одному из

них, ЭРЖ является разрядом в газовых пузырьках, которые либо присутствуют

в жидкости и на электродах, либо образуются при воздействии напряжения

(электролиз, вскипание, дегазация с поверхности электродов и т.д.). Сторонни-

ки другого подхода рассматривают ЭРЖ как следствие лавинообразного раз-

множения свободных носителей зарядов в самой жидкости и используют мо-

дель, которая, по существу, является модификацией модели газового разряда

применительно к жидкой фазе. Они считают, что в сильных полях электроны в

жидкости могут ускоряться и ионизовать молекулы и атомы. Электрическую

прочность жидкости через длину свободного пробега электронов и сечение

взаимодействия связывают с молекулярной структурой жидкости. Этот меха-

низм ЭРЖ называют собственно электрическим.

Макфарлан еще в конце XIX в. отмечал, что при длительном приложении

напряжения в ЭРЖ участвуют четыре процесса: образование нитей из взвешен-

ных частиц, движение жидкости, образование и движение пузырьков газа и,

наконец, искровой разряд. Эта точка зрения послужила основой для создания

ряда неэлектронных теорий пробоя жидкостей, таких, как тепловая, газотепло-

вая, поляризационная и т.д. [1]. Эта точка зрения была преобладающей до сере-

дины 40-х годов XX в.

В то же время некоторые внешние аналогии в явлениях, сопровождающих раз-

витие разряда в жидкостях и газах, а также близость закономерностей, характе-

ризующих электрическую прочность жидкостей и газов, послужили основанием

для создания теории пробоя жидкостей, аналогичной теории Таунсенда для газа.

В более поздних исследованиях было показано, что при импульсном напряжении

142 Глава

Электрический разряд в

жидкости

примеси в жидкости, ее температура, давление газа над жидкостью оказывают зна-

чительно меньшее влияние на пробой, чем при длительном воздействии напряже-

ния. Эти факты, а также установленные Вальтером и Инге [2] малые времена за-

паздывания пробоя жидкостей (~10~

с) указывали на электронный, а не ионный

характер импульсного ЭРЖ и были истолкованы как доказательство ионизаци-

онного механизма пробоя. Однако измерение подвижности электронов и ионов

в жидкостях показывает [1], что они очень малы (-10"

см

/(В-с) для ионов и

~10~

см

/(Вс) для электронов). Их недостаточно для ударной ионизации молекул

и атомов жидкости.

Поэтому физику пробоя жидкостей нужно, по нашему мнению, рассматривать

как явления, начинающиеся в газовых пузырьках за счет ионизационных процес-

сов в них. Напомним, что среднее электрическое поле в промежутке ~10

В/см, а на

электродах не менее 10

В/см. Поэтому первоначальная возможность инжекции

электронов и ионов в жидкость и создания в ней пузырьков за счет высокой кон-

центрации энергии на поверхности анода или катода не вызывает сомнения.

Установление достоверного механизма разряда в жидкости возможно только

на основе детальной физической картины явления, включающей описание всех

фаз разряда в их временной и пространственной последовательности. Описа-

ние разряда в жидкости на основании скоростной фоторегистрации канала раз-

ряда и одновременного осциллографирования напряжения и тока дал Комель-

ков [3]. Разряд в трансформаторном масле и дистиллированной воде в про-

межутках игла-плоскость и игла-игла при (I = 12-5-20 см фотографировался

камерой Бойса с механической разверткой. Было установлено, что процесс раз-

ряда в промежутке имеет сходство с лидерным процессом в длинных воздуш-

ных промежутках. Затем следует яркая вспышка, которую автор сравнивает с

главным (обратным) разрядом в длинном воздушном промежутке, а после этой

^ Ю

Ю"

10° 10

А [кВ/мкс]

Рис. 7.1. Зависимость средней скорости развития лидера от крутизны импульса для транс-

форматорного масла 7, Г; этилового спирта 2, 2'; и дистиллированной воды 5, 3' при поло-

жительной и отрицательной (пунктир) полярностях острийного электрода. Длина проме-

жутка

<5?=

3,5 см

§7.2

Импульсная электрическая прочность жидких диэлектриков

143

вспышки устанавливается дуга. Размеры зоны ионизации составляют -1 см, а

эффективная скорость роста лидерного канала 1,7-10

см/с и 610

см/с соответ-

ственно для положительного и отрицательного лидеров в трансформаторном

масле. Эта работа не ответила на вопрос, отчего появляется первичная плазма

на электроде при его пробое. Но она доказала существование самопрорастаю-

щего канала с зоной его ионизации в головке - локальной перемещающейся

области. Было отмечено, что развитие лидера, как правило, начинается с анода,

поэтому эмиссия электронов с катода не является определяющим процессом в

механизме ЭРЖ.

Позднее Ляо и Андерсен [4] выполнили аналогичные исследования. По их дан-

ным, схема разряда включает не три, как в [3], а пять стадий: «инициирующий»

стример, пилот-стример, ступенчатый стример, обратный разряд и дугу.

Последующие исследования механизма ЭРЖ, проводимые при помощи элект-

ронно-оптических преобразователей, не изменили общей картины процесса. Уша-

ков [1] обобщил известные данные по импульсному ЭРЖ и дополнил их рядом

важных исследований. На рис. 1 показана зависимость средней скорости прорас-

тания лидера с положительного и отрицательного электродов при воздействии вы-

соковольтного импульса с фронтом 1,6 мкс для таких жидкостей, как трансформа-

торное масло, этиловый спирт, глицерин и вода [1].

§ 7.2 Импульсная электрическая прочность

жидких диэлектриков

Эксперименты по исследованию воды как диэлектрика при воздействии им-

пульса длительностью Ю

-8

с, проведенные Месяцем и Воробьевым [5], показали,

что ее электрическая прочность не ниже, чем у трансформаторного масла, и растет

с уменьшением длины промежутка (рис. 2), оставаясь в пределах (2-КЗ)-10

В/см.

Аналогичная зависимость была получена и для трансформаторного масла (рис. 2).

Исследования электрической прочности воды в неоднородных [6] и однород-

ных [5] полях показали, что она увеличивается при уменьшении длительности им-

пульса. Например, электрическая прочность воды в сантиметровом промежутке в

однородном поле при = 10~

с составляет 210

В/см, а при = 3 мкс и таком же

промежутке - только 3-10

В/см [1]. Таков же характер этой зависимости для

трансформаторного масла, глицерина и касторового масла.

Для жидкостей, в том числе и для воды, характерна сильная зависимость элек-

трической прочности от степени неоднородности поля на электродах (острые

кромки, микровыступы и т.д.). При этом в асимметричных резко неоднородных

полях наблюдается аномально большой эффект полярности. При длительностях

импульсов более 1 мкс превышение пробивного напряжения при отрицательном

острие над напряжением при положительном составляет -4, уменьшаясь до ~ 1,5

при >

=10"

с[1].

Приведенные данные показывают, что при длительности импульса в несколько

наносекунд электрическая прочность даже технически чистых жидкостей превос-

ходит 1 МВ/см, а при длительности импульса

4 не и длине промежутка

с1

= 1,25 мм в однородном поле она достигает 4 МВ/см. Данные по наносекундной

144 Глава 7. Электрический

разряд

жидкости

2 3

ь! 2

10"

Ю-

10"

(1 [см]

10°

Рис.

7.2.

Зависимость Е

пр

от

при

= 10 не

для трансформаторного масла

и дистилли-

рованной воды

однородном поле

электрической прочности жидкостей при = 3-й 00 не удовлетворительно описы-

ваются уравнением вида [1]:

18^=^-5-18/, (7.1)

где

А-к

— к2В = к

-к

\%с1.

Здесь

пр

имеет размерность МВ/см, I - не, Л - см. Значения коэффициентов

к\

кз

для четырех исследованных жидкостей и трех типовых разрядных

промежутков приведены в таблице 1.

Таблица

7.1.

Жидкость

Тип промежутка

к\

кг

къ

+С -С

0,50 0,32

-0,41

0,029

Трансформаторное масло -О +п

0,41 0,49 -0,35 0,010

+0 -п

0,37

0,32

-0,35

0,042

+с -с

0,28

0,82

-0,36 0,220

Дистиллированная вода

-О +п

0,65 0,46

-0,22

0,060

+0 -п

- -

+с -с 0,25

0,50 -0,45 0,080

Глицерин -О +п

0,67 0,32 -0,11

0,320

+0 -п

0,53

0,35

-0,24

0,043

+с -с

0,38

0,35

-0,41

0,023

Касторовое масло -0 +п

0,21 0,37 -0,44

0,110

+0 -п

0,23 0,39 -0,33

0,077

В этой таблице С означает сферу, О - острие, П - плоскость. Знак + или - пе-

ред С, О и П означает, анодом или катодом является тот или иной электрод.

§7.3 Электрический разряд в

воде

145

§ 7.3 Электрический разряд в воде

Рассмотрим более подробно физическую картину электрического разряда в во-

де из-за исключительного интереса к этому диэлектрику, используемому в качестве

изолятора в линиях и в качестве электроразрядной среды в коммутаторах. При вы-

соких электрических полях проводимость воды значительно возрастает [7], и в

предпробивной стадии могут протекать токи от десятка ампер до килоампер.

В этом случае существенным является вопрос о возможности образования в раз-

рядном промежутке парогазовой фазы на стадии, предшествующей формированию

разряда, а также перед головкой развивающегося разрядного канала.

Исследования [1] показывают, что для воды с удельной проводимостью сг>

> 10"

Ом

-1

-м

-1

при длительности воздействия напряжения О 10"

с имеет место

электротепловой («пузырьковый») механизм разряда. В переходной области от

ионизационного к электротепловому механизму пробоя существенна роль газооб-

разования вследствие электролиза (электрохимический разряд). При электротепло-

вом и электрохимическом механизме в воде в условиях однородного поля разряд

зажигается на том электроде, на котором газообразование идет более интенсивно.

Запаздывание возникновения первичного свечения при этом во многом определя-

ется образованием на электроде газового пузыря (или пленки) и ростом его до не-

которого критического размера [8].

В областях микросекундных длительностей импульсов напряжения разряд

происходит в форме лидерного процесса, имеющего две стадии развития [1]. Пер-

вая стадия - непрерывное развитие со скоростью 10

-И0

м/с от электрода в глубь

промежутка контрагированных каналов диаметром (1ч-5)10

м, названных пер-

вичными каналами. При потенциале электрода 10

В напряженность поля вблизи

головки первичного канала достигает 10

В/м. Первичный канал с положительно-

го электрода развивается вследствие автоионизации в жидкости, а отрицатель-

ный - вследствие ударной ионизации. На стадии зарождения первичного канала

напряженность поля (примерно 10

В/м), необходимая для развития ионизации в

жидкости, создается вблизи микроострий на электродах. Первичные каналы состо-

ят из слабоионизированной плазмы и имеют большое сопротивление. Продольные

градиенты потенциала в первичном канале составляют (1,5-^2)-10

В/м. В момент,

когда температура у основания первичного канала достигает критической, начина-

ется вторая стадия - движение волны ионизации по первичному каналу и его пре-

образование в высокопроводящий столб разряда. Давление в канале возрастает до

нескольких тысяч атмосфер, канал со скоростью (14-5)4 О

м/с расширяется до

(5-И О)-10

-6

м с одновременным увеличением тока на 3 порядка и яркости за счет

ударной и термической ионизации в первичном канале. Переработка первичного

канала, начинающаяся у его основания, со скоростью (1-ьЗ)-10

м/с распространя-

ется в направлении к головке первичного канала. Этим заканчивается первая сту-

пень скачкообразного развития высокопроводящего лидерного канала с продоль-

ными градиентами потенциала (2+5)-10

В/м. В последующем первичный канал

развивается с головки лидерного канала и преобразуется в лидерный аналогично

описанному. Скорость развития первичного канала, паузы между скачками лидера

и, следовательно, эффективная скорость продвижения лидерного канала зависят от

свойств жидкости и параметров импульса напряжения, как это показано в [8, 1].

10. Месяц Г.А.

146 Глава 7. Электрический разряд в

жидкости

В области времен воздействия напряжения от I < 10"

с до наносекунд резуль-

таты исследований импульсного пробоя жидкостей также указывают на возмож-

ность влияния газовой среды. К таким результатам можно отнести следующие [1]:

1. Электрическая прочность как недегазированных, так и дегазированных жид-

костей увеличивается с ростом гидростатического давления.

2. При увеличении температуры электрическая прочность уменьшается.

3. При Е, близких к

Ещ>,

даже в тщательно очищенных жидкостях плотность

энергии вблизи микровыступов на электродах достигает 100 Дж/см

, что может

привести к локальному вскипанию жидкости за доли микросекунд.

4. Методом скоростной теневой съемки установлены локальные оптические

образования, которые не были тождественны плазменным.

В [1] проведена серия экспериментов по исследованию разряда в воде в нано-

секундном диапазоне времени (рис. 3-5). Использовался импульсный генератор с

амплитудой до 1 МВ, длительностью фронта 2 не при регулируемой длительности

импульса Ю^-ИО"

с. Вода имела удельную проводимость а « Ю

-7

Ом

-1

см

-1

. Дли-

на разрядных промежутков при стальных электродах полусфера-полусфера диа-

метром 0,8 см составляла

= 0,03-5-0,12 см, при электродах острие-плоскость

с1

= 0,07-Ю,8 см и лезвие-плоскость б/= 0,15^-0,5 см. Использовались молибденовые и

вольфрамовые острия. Длина лезвия составляла 1,5 см. Использовался электронно-

оптический преобразователь с длительностью импульсов 10~

4-10~

с. При отрица-

тельной полярности острия (-0 +П) свечение в течение нескольких наносекунд

первоначально появляется на катоде и со скоростью (24-5)10

см/с двигается в сто-

рону анода (средняя напряженность поля 0,8 МВ/см). После пересечения 60% дли-

ны промежутка появляется свечение на аноде, которое со скоростью ~10

см/с

движется в сторону катода, что сопровождается током 14-5 А. В момент встречи

этих двух потоков начинается коммутация.

Разряд с положительного острия характеризуется рядом особенностей. Свече-

ние первоначально появляется на аноде. Скорость его движения высокая, не ниже

см/с (Е = 0,4 МВ/см), а ток ~30 А. На противоположном электроде - катоде -

никакого свечения за это время не возникает. Коммутация в промежутке +0 -П

начинается в момент касания анодным свечением плоскости. При замене острий-

ного электрода лезвием характерные проявления эффекта полярности сохраняют-

ся. При отрицательной полярности лезвия увеличение Е приводит к увеличению

количества одновременно развивающихся каналов до 34-7 и тока, сопровождающе-

го их развитие, до 254-75 А. При положительной полярности лезвия на стадии за-

жигания разряда наблюдается практически однородное свечение по всей длине

лезвия. Позже это свечение становится дискретным из 104-15 отдельных сгустков

при токе до 300 А. При положительной полярности лезвия всегда образуется 24-3

канала разряда, а при отрицательной - только один. При увеличении средней на-

пряженности поля до 0,7 МВ/см на положительном лезвии развивается 15 каналов,

а на отрицательном - 3.

При разряде в однородном поле 1,54-3 МВ/см за 64-9 не до начала коммутации

от анода к катоду начинает распространяться свечение со скоростью ~ 10

см/с

(рис. 5). При касании поверхности катода это свечение перерастает в канал разря-

да, и начинается процесс коммутации.

§7.3 Электрический

разряд

воде

147

УУУУЛУУУ/. УУУУЛУУУ/. УУУУЛУУУ/, УУУУЛУУУ/ УУУУУ+УУУУ

Рис. 7.3. Стадии развития разряда в воде в неоднородном поле при отрицательном острий-

ном катоде. Средняя напряженность электрического поля 1,2 МВ/см, расстояние между

электродами 1,5 мм, временной интервал между кадрами 10 не

У///ЛУУУ/, УУУУЛУУУУ УУУ/УУУУУ/

Х\\Ч-ч\\\\

\\\\-ч\\\\ ч\\\\-ч\\\\ \\\\

-ч\\\\

\\\\-\\\\\

Рис. 7.4. Стадии развития разряда в воде при положительном острийном аноде. Средняя

напряженность поля 0,35 МВ/см, длина промежутка 3,2 мм, интервал между кадрами 10 не

2У//АУ//у 2У//ЛУ//А '////+////4

У///У////1

"^^-ХХ^л

Рис. 7.5. Разряд в однородном электрическом поле. Напряженность поля 3,5 МВ/см, длина

промежутка 0,7 мм, интервал между кадрами 2 не

Значительный прогресс при исследовании механизмов электрического разряда

в жидкостях был достигнут благодаря применению лазерной техники. Исследова-

ния предпробойных явлений в жидкостях с использованием рубинового лазера в

качестве источника подсветки в схеме высокоскоростного шлирен-фотографирова-

ния были выполнены в [8-10]. Наносекундное временное разрешение позволило

наблюдать пробой с анода в однородном поле и выявить некоторые важные детали

его зарождения и развития. В частности, установлено, что электрический разряд

имеет сложный характер и включает в себя несколько последовательных стадий,

различающихся механизмами и скоростями развития. Выявлена тонкая структура

электрического разряда на начальной стадии. Результаты [8-10] показали исклю-

чительно важное значение временного и пространственного разрешения регистри-

рующей аппаратуры при изучении развития электрического разряда

жидкостях.

Использование лазерных источников подсветки в сочетании с известными опти-

ческими методами (шлирен-методы, интерферометрия и др.) позволяет осущест-

вить одновременное достижение высокого временного и пространственного разре-

шения, что особенно важно при изучении предпробойных процессов в жидкостях.

148 Глава 7. Электрический

разряд

жидкости

Оптические методы, основанные на регистрации изменения показателя преломления

(плотности) среды, позволяют выявить более ранние стадии, предшествующие воз-

никновению интенсивных ионизационных процессов (светящейся стадии электри-

ческого разряда).

§ 7.4 Роль поверхности электродов

В жидкостях, как и в других диэлектрических средах, увеличение неоднород-

ности поля вызывает уменьшение

^пр-

Особенностью жидкостей в этом отношении

по сравнению с газами является отмеченная во многих работах более сильная за-

висимость электрической прочности от микро- и макрогеометрии электродов.

Объяснить это можно отсутствием в жидкости импульсной короны, объемный за-

ряд которой способен экранировать электрод и искажать распределение поля, за-

данное геометрией электродов, а также большой плотностью жидкостей, вследст-

вие чего локальные поля, действующие в малых объемах, способны зажечь заряд.

Одна из основных составляющих времени разряда /

- это запаздывание зажи-

гания разряда /

. Для данной жидкости оно определяется микро- и макрогеометри-

ей электрода и скоростью подъема напряжения на разрядном промежутке. Очевид-

но, что влияние геометрии электродов на электрическую прочность разрядного

промежутка будет наибольшим в случаях, когда /

в суммарном времени разряда

составляет значительную часть. Влияние геометрии электродов будет увеличивать-

ся при уменьшении длины разрядного промежутка, уменьшении неоднородности

полй, увеличении скорости возрастания напряжения (перенапряжения). Экспери-

ментальные данные подтверждают эти выводы. В [11] установлено, что пробивное

напряжение разрядных промежутков острие-плоскость (с! = Зн-9,7 см) в масле на

импульсах с фронтом 1,2 мкс уменьшается в среднем на 25-40% при уменьшении

радиуса вершины острийнош электрода более чем на два порядка (от 2,5 до

0,01 мм). Выполненные в [1] измерения показали, что на прямоугольных импуль-

сах длительностью 50^60 не при межэлектродных расстояниях порядка 1 мм уве-

личение радиуса закругления г

от единиц до сотен микрон вызывает увеличение

1У

пр

в 1,5-2 раза.

Микрогеометрия электродов, влияние которой на Е

пр

проявляется в коротких

промежутках с однородным и слабонеоднородным полями, определяется качест-

вом обработки поверхности и кристаллической структурой металла электродов.

Известно, что одним из способов уменьшения очагов усиления локального по-

ля на электродах из поликристаллических металлов является их тренировка разря-

дами. Эта операция (иногда называемая кондиционированием) широко применяет-

ся в экспериментах по пробою в вакууме и в некоторых электровакуумных прибо-

рах. В ряде работ [12-14] тренировка электродов применялась при измерении

электрической прочности жидкостей. Воздействие на электроды разрядов, предше-

ствующих основным измерениям, призвано повышать Е

пр

и уменьшать разброс Е

пр

и /

. В разных работах рекомендуются существенно различные режимы кондицио-

нирования. Например, количество рекомендуемых тренирующих разрядов лежит в

пределах 5ч-100. Анализ экспериментальных данных и сам механизм кондициони-

рования указывают на то, что этот эффект зависит от большого количества факто-

ров: материала электродов, их площади, качества обработки поверхности, дли-

§7.4

Роль поверхности электродов

149

тельности воздействия напряжения, количества и скорости выделения энергии в

искровом канале, свойств жидкости. При этом положительный эффект наблюдает-

ся не во всех жидкостях. Увеличение и стабилизация времени разряда (при Е =

С0П51)

в очищенной воде наблюдалось после воздействия 15-20 разрядов. При-

менены электродные системы сфера-сфера диаметром 0,8 см и электроды Рогов-

ского диаметром 2,6 см; электроды изготавливались из нержавеющей стали. Во

время тренировки жидкость заменялась после каждого пробоя отсосом из межэ-

лектродного пространства и добавлением в камеру порций свежей жидкости.

Можно предположить, что в масле «кондиционирование» не наблюдается вследст-

вие того, что во время тренирующих разрядов наряду с разрушением и оплавлени-

ем микроострий на электродах отлагаются продукты разложения углеводородов,

препятствующие стабилизации свойств поверхности электродов. Изложенное по-

казывает, что тренировка электродов не является эффективным способом повыше-

ния и стабилизации величины Е

пр

жидкостей.

В ряде случаев более эффективным способом уменьшения влияния микрогео-

метрии электродов и повышения Е

пр

жидкостей является покрытие электродов

тонким слоем высокопрочного твердого диэлектрика. В [1] показано, что пробив-

ное напряжение трансформаторного масла и напряжение перекрытия твердых ди-

электриков в системе коаксиальных цилиндров на импульсах микросекундной

длительности увеличиваются на 204-25% при покрытии электродов слоем бакели-

тового лака толщиной 1204-150 мкм. Увеличение пробивного напряжения транс-

форматорного масла в промежутках со слабонеоднородным полем на микросе-

кундных импульсах при покрытии электродов диэлектрическими пленками отме-

чено также в [15].

Необходимо учитывать, что электрическая прочность изоляционных промежут-

ков с покрытыми электродами, представляющих собой один из видов комбиниро-

ванной изоляции, зависит от перераспределения поля по слоям жидкого и твердого

диэлектриков и соотношения их Е

пр

при заданной длительности импульсов. Осо-

бенность сильно полярных жидкостей, в частности воды, как компоненты в комби-

нированной изоляции, заключается в их повышенной, по сравнению с твердыми

диэлектриками, электропроводности и диэлектрической проницаемости. Это обу-

словливает перегрузку слоев твердого диэлектрика, работающего в последователь-

ной комбинации с сильно полярными жидкостями. В [1] отмечается, что покрытие

электродов диэлектрической пленкой несколько повышает импульсную электриче-

скую прочность изоляционного промежутка в воде, однако это повышение неус-

тойчиво и не всегда является следствием низкого качества изготовления покрытия.

При анализе влияния барьеров на импульсное пробивное напряжение изоляци-

онных промежутков в жидкости необходимо иметь в виду, что определяющим фак-

тором в «барьерном эффекте» в жидкости является действие барьера как механиче-

ской преграды, препятствующей развитию канала разряда. Под «барьерным эф-

фектом» понимается повышение пробивного напряжения разрядного промежутка

установкой в нем тонких диэлектрических преград. Поскольку в жидкостях в отли-

чие от газов зона ионизации чрезвычайно мала, зарядка барьера и его запирающее

действие (встречным полем) малы, что проявляется в существенно меньшем «барь-

ерном эффекте» в жидкости по сравнению с газами. Условием пробоя изоляционного

промежутка с барьером в жидкости является пробой барьера под действием поля,