О физических механизмах горения линейного коронного факельного разряда

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

О физических механизмах горения линейного коронного факельного разряда

Г.В. Ашмарин - канд. физ.- мат. наук

К. С. Ким - канд. физ.- мат. наук

Введение

Во многих случаях наблюдается нестационарное горение классической положительной короны: корона шипит, трещит, а ее свечение резко пульсирует [1, 2]. Однако при определенных сочетаниях кривизны электродов, состава и давления газовой смеси, величины приложенного напряжения классическая положительная корона горит спокойно [З]. Этот режим положительной короны получил название ультракороны. Несмотря на видимую стационарность, ток и свет ультракороны в воздухе пульсируют синхронно с высокой частотой (3·105 - 3·106 Гц). В результате экспериментов было установлено, что регулярные токовые пульсации близки по форме к релаксационным автоколебаниям: осциллограмма тока имеет короткий и резко нарастающий передний фронт и медленно спадающий задний. Глубина модуляции тока во всех работах невелика (<8%), в то время как модуляция света близка к 100% [4].

Упрощенная схема автоколебаний была предложена Тричелом в 1939 г. [5]: передний фронт соответствует интенсивной ионизации газа в сильном поле вблизи коронирующего электрода; ионизационная стадия продолжается до тех пор, пока положительный заряд у электрода не вырастет настолько, что начинает сильно экранировать электрическое поле; задний фронт соответствует дрейфовому уносу заряда из генерационной зоны и восстановлению в ней исходного высокого поля, инициирующего следующий импульс.

Согласно такой схеме поддержание автоколебаний требует наличия в разряде механизма быстрой положительной обратной связи, обеспечивающей на ионизационной стадии запуск последующей электронной лавины при уходе на анод предыдущей, а также наличия медленных процессов, создающих слабый фон затравочных электронов, запускающих в конце заднего фронта новый импульс тока. Вклад медленных процессов в положительную обратную связь не должен быть большим. Автоколебательный режим ультракороны систематически исследован в широкой области экспериментальных параметров с использованием специально подобранной геометрии электродов и балластного сопротивления, позволивших получить новые режимы нелинейных автоколебаний с большой амплитудой токовых пульсаций [6,7].

Описанный механизм объясняет природу токовых колебаний практически всех видов классических коронных разрядов. Он не применим для аномальной разновидности положительной короны - ЛКФР, модуляция тока в котором достигает 90%, а частота пульсаций находится в диапазоне 10-14·103 Гц. ЛКФР представляет собой три взаимосвязанных разряда: импульсный коронный разряд, классическую положительную корону, горящую между импульсами, и искровой разряд. Импульсная и классическая короны горят в одной области пространства последовательно, сменяя во времени одна другую, а искровой разряд горит в другом месте пространства последовательно по электрической схеме, управляя процессом смены одного типа коронного разряда другим [8].

Цель работы - исследовать ЛКФР и провести анализ плазмофизических явлений, протекающих при его формировании и горении.

Эксперимент

Схема экспериментальной установки для исследования характеристик ЛКФР подробно рассмотрена в [8]. Постоянное напряжение положительной полярности до 25 кВ подается через индуктивность L переменной величины на разрядный узел, представляющий собой провод (анод) из нихрома длиной 220 мм и диаметром 0,25 мм, расположенный на расстоянии d = 30 мм параллельно плоскости катода. В электрической схеме источника питания катод соединяется с заземляющим проводом через инициирующий разрядник (ИР). Величина зазора между электродами ИР регулируется в пределах h = 0-5 мм. В качестве индуктивности переменной величины используется дроссель, состоящий из двух последовательно соединенных катушек по 20000 витков, намотанных на сердечнике из электротехнической стали. Применяется витой магнитопровод П-образной формы с длиной средней линии 440 мм и площадью сечения 950 мм2. Для изменения L на дросселе располагаются две последовательно соединенные обмотки по 250 витков, через которые пропускается регулируемый постоянный ток подмагничивания. Величина L определяется методом вольтметра-амперметра на частоте 50 Гц.

Электроэнергетические параметры разряда регистрируются путем измерения мощности ваттметром в первичной цепи источника питания. Измерение среднего тока разряда осуществлялось одновременно двумя способами: осциллографически с учетом импульсной и постоянной составляющих тока и с помощью микроамперметра. Как показали оценки, различия в измерениях между ними составили менее 5%. Поэтому в большинстве случаев использовался более простой способ измерения микроамперметром. Напряжение на разрядном контуре измеряется электростатическим киловольтметром.

Характеристики ЛКФР. На рис. 1 приведен развитый ЛКФР в различных проекциях

Рис. 1. Линейный коронный факельный разряд:

U = 18,5 кВ, I = 2,8 мА, d = 30 мм, h = 0,5 мм.

Вид а - сверху, в - сбоку, с - с торца.

при напряжении на разрядном контуре U = 18,5 кВ, токе разряда I = 2,8 мА, d = 30 мм. При данных напряжениях разряд практически однороден по всему объему и длине провода. На проводе наблюдаются яркие точки, к которым стекается разряд. Сечение разряда представляет собой параболу, вершина которой расположена на проводе коронирующего электрода, а ее ветви по нормали входят в плоскость второго электрода. Внутри параболы наблюдается периферийная зона фиолетового свечения, а центральная область имеет бледно-голубой цвет с хорошо заметными увеличениями интенсивности свечения у анода и катода. В параболических областях протекает основной ток разряда, а за их пределами остальной ток обеспечивается медленным дрейфом ионов N+, O+, О- и т.д. При замыкании электродов ИР (h = 0) картина качественно меняется и в разрядном промежутке горит обычная классическая положительная корона, максимальный ток которой при тех же условиях равен 500 мкА.

Для формирования ЛКФР необходимо выполнить два условия: 1) в разрядную цепь со стороны анода установить индуктивность величиной не менее 3400 Гн; 2) катод соединить с отрицательным полюсом источника питания через ИР.

Плазмофизические процессы при горении ЛКФР. Для выяснения процессов, протекающих в разряде, рассмотрим эквивалентную схему разрядного контура, изображенную на рис. 2. Здесь R1 - активная составляющая полного сопротивления регулируемой индуктивности; L - индуктивность; С1 - емкость исследуемого разрядного промежутка относительно катодной пластины; R2 - активная часть сопротивления исследуемого разряда, С2 и R3 - эквивалентная емкость катода относительно земли и сопротивление ИР. Разомкнутое состояние ключа К на эквивалентной схеме соответствует отсутствию пробоя ИР. В замкнутое состояние ключ К переходит при пробое ИР. Напряжение пробоя разрядника регулируется расстоянием между электродами.

Рис. 2. Эквивалентная схема разрядного контура ЛКФР.

При подаче на данную схему высокого напряжения положительной полярности (рис. 2) происходит заряд конденсаторов С1-С2. Формирование и горение ЛКФР определяется процессами, протекающими при заряде С2 катодной пластины. Транспортировка положительного заряда на поверхность электрода при подаче высокого напряжения осуществляется положительными ионами, присутствующими во внешней области "классической" положительной короны. В случае положительной короны удаленный катод со слабым электрическим полем практически не принимает участия в размножении электронов. Воспроизведение электронов обеспечивают вторичные процессы в зоне коронирующего проводника [9]. Положительные ионы на подлете к катоду нейтрализуются путем вырывания из него электронов. Энергия возбуждения расходуется на соударения с окружающими молекулами газа и излучение, а не на нагрев электронов у поверхности металла. Поэтому коэффициент вторичной эмиссии на поверхности катода незначителен. Нейтрализация ионов идет до тех пор, пока катод не зарядится до потенциала, при котором налетающий ион уже не сможет вырвать электрон из металла. Тем не менее, процесс зарядки конденсатора продолжается за счет того, что налетающие ионы прилипают к катоду и удерживаются на нем силами электростатического притяжения. Это приводит к формированию на поверхности катода положительного объемного заряда, плотность которого больше, чем плотность объемного заряда разрядного промежутка. После того как напряжение на катодной пластине достигнет пробойного, катодная пластина разряжается до низкого потенциала.

Рекомбинация объемного заряда на катодной пластине приводит к увеличению проводимости разрядного промежутка. Это не рекомбинация положительного объемного заряда, ограничивающего ток классической положительной короны в разрядном промежутке, а рекомбинация прикатодного слоя положительных ионов, удерживаемых на поверхности катода силами электростатического притяжения в паузах между импульсами тока. Сама по себе рекомбинация прикатодного слоя положительных ионов не приводит к увеличению проводимости разрядного промежутка, но следующие процессы могут быть причиной размножения электронов в прикатодной области разряда:

1. В момент пробоя инициирующего разрядника происходит значительное увеличение коэффициента г - эмиссии за счет того, что рекомбинация осуществляется на расстояниях, соизмеримых с размерами ионов, осевших на катоде, т.е. повышается вероятность передачи энергии рекомбинации электронам металла.

2. Автоэлектронная эмиссия. До пробоя инициирующего разрядника холодной эмиссии электронов на катоде не происходит, так как нет соответствующих градиентов электрических полей между прикатодным слоем положительных зарядов и катодом. После пробоя за время ~ 1 нс происходит нейтрализация положительного заряда у катода, тогда как прикатодный объемный заряд практически не успевает сдвинуться с места. Реализуется подобие конденсатора, обкладками которого являются катод и слой положительных ионов над его поверхностью. Расстояние между обкладками соизмеримо с диаметром атома (молекулы), например, для воздуха диаметр молекулы составляет D ? 0,374 нм [10]. Из соотношения Емах=2Uпр/D оценивается напряжен-ность электрического поля на поверхности катода, при напряжении пробоя инициирующего разрядника Uпр ?1 кВ, Емах ? 5,3·1010 В/см. Холодная эмиссия начинается при Е ? 106 В/см, а с увеличением электрического поля быстро возрастает, например при Е ? 107 В/см достигает плотностей тока 106 А/см2 [11]. Поэтому при пробое разрядника в основной разрядный промежуток эмитируется большое количество электронов, часть из которых рекомбинирует с объемным зарядом у катода, часть прилипает к кислороду, а остальные - участвуют в формировании электронных лавин с последующим переходом в анодонаправленные стримеры. Стримеры наблюдаются в виде интенсивного свечения, распространяющегося в глубь разрядного промежутка со стороны катода (рис. 1). Проводимость разрядного промежутка резко возрастает, объемный заряд уменьшается и перестает ограничивать ток коронного разряда. Через проводящий промежуток за время ~ 300 нс происходит разряд конденсаторов С1, образованных коронирующим электродом относительно катода и Земли. Ток разряда конденсаторов суммируется с током "классической" положительной короны.

Большая величина индуктивности в цепи анода ограничивает скорость нарастания тока через разряд, джоулево тепловыделение уменьшается, сопротивление возрастает. Частота повторения импульсов тока через разряд зависит от напряжения питания, напряжения пробоя ИР и емкости С2 катодной пластины. При подаче постоянного напряжения от источника питания ток в ЛКФР носит импульсный характер. Амплитуда импульсов, их длительность и частота повторения регулируются изменением индуктивности и напряжением пробоя инициирующего разрядника. Стационарный ЛКФР приобретает свойства импульсного коронного разряда.

Численные оценки. Из статических и динамических вольт-амперных характеристик ЛКФР следует, что полный ток ЛКФР можно представить в виде:

I = Iп+Iи , (1)

где Iп и Iи - постоянная и импульсная составляющие полного тока ЛКФР соответственно. Из рассмотренного механизма горения ЛКФР можно сделать вывод, что Iп есть не что иное как ток классической положительной короны, горящей между импульсами тока, возникающих при пробое инициирующего разрядника.

Ток импульсной составляющей Iи с частотой следования импульсов f можно определить из соотношения:

Iп = f·Q . (2)

Здесь Q - заряд, накопленный в конденсаторах С1, С2 и протекающий через разрядный контур при пробое ИР. Так как C = Q/U, можно записать:

Q = C1U1+C2U1 . (3)

Частота f определяется соотношением:

f=1/, (4)

где  - время заряда катодной пластины, обладающей емкостью С2 до напряжения пробоя инициирующего разрядника U2, определяемое выражением:

 , (5)

где U1 - напряжение на разрядном контуре; U2 - напряжение пробоя разрядника; R2 = U/Iп - сопротивление разрядного промежутка при горении классической положительной короны.

Подставляя (5) в (4), получаем окончательное выражение для частоты следования импульсов:

 , (6)

из соотношений (2, 3) и (6) получаем выражение для импульсной составляющей тока:

 . (7)

Емкость конденсаторов С1, и С2 можно определить расчетным путем либо измерить их значения. Для расчета С1, и С2 применима формула для электроемкости одиночного провода длиной l, имеющего радиус сечения r и расположенного на высоте h над плоскостью:

. (8)

Здесь l1 = 0,8 м - суммарная длина коронирующего и подводящего питание провода.

Величину емкости С3 определим по формуле для плоского конденсатора:

 . (9)

Проведем оценочный расчет зависимости частоты следования импульсов от полного тока разряда, используя осциллографически измеренную ВАХ для постоянной составляющей тока ЛКФР (рис. 3,2), при следующих постоянных разрядного контура: напряжение пробоя ИР U2 = 2 кВ, величина разрядного промежутка dп = 30 мм, длина коронирующего провода и подводящих питание проводов l2 = 0,8 м, площадь катодной пластины 0,03 м2.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики составляющих тока ЛКФР:

1 - импульсная (эксперимент), 2 - постоянная, 3 - импульсная (расчет).

Рис. 4. Зависимость частоты следования импульсов тока ЛКФР от среднего тока разряда:

1 - эксперимент, 2 - расчет.

Вычисления по формулам (8) и (9) приводят к следующим значениям емкостей: С1 = 8,11-12 Ф, С2 = 1,33-11 Ф.

Подставляя величину С2 в (6) и используя значения тока постоянной составляющей (рис. 3), получим зависимость частоты следования импульсов от полного разрядного тока ЛКФР (рис. 4, 2.) На том же рисунке приведена зависимость изменения частоты тока, полученная экспериментально осциллографическим способом. Сравнение результатов показывает качественное и количественное совпадение эксперимента и расчета. Подставляя величину С1 в (7) и используя значения тока постоянной составляющей, из рис. 3 получим расчетную ВАХ для импульсной составляющей тока ЛКФР (рис.3, 3). На том же рисунке приведена ВАХ импульсной составляющей тока, полученная экспериментально осциллографическим способом. Сравнение результатов показывает качественное и количественное совпадение эксперимента и расчета.

Максимальные количественные расхождения наблюдаются в области обратного хода ВАХ ЛКФР. Данный участок характеристики разряда весьма чувствителен к внешним условиям, поэтому здесь возможны большие (до 20%) погрешности в измерении тока. Если для последних четырех точек принять данную погрешность, то расчетная и экспериментальная зависимости окажутся в одной области.

Заключение

Оптическая регистрация разряда показывает, что в ЛКФР внутренняя зона разряда распространяется на весь разрядный промежуток в отличие от классической положительной короны, где внутренняя зона сосредоточена у коронирующего проводника.

Анализ статических и динамических вольт-амперных характеристик разряда и количественные оценки позволяют выделить следующие основные физические процессы, протекающие в ЛКФР в автоколебательном режиме:

При подаче напряжения на разрядный контур загорается классическая положительная корона.

Ток короны формирует на поверхности изолированного от земли катода положительный обьемный заряд.

При пробое ИР в результате рекомбинации объемного заряда возникает г- и авто-электронная эмиссия с поверхности катода.

Из эмитированных электронов формируются анодонаправленные стримеры, приводящие к увеличению электропроводности разрядного промежутка.

Через разрядный промежуток происходит разряд емкости коронирующего электрода и катода.

Индуктивность ограничивает ток разряда, плазма рекомбинирует, электропроводность уменьшается и вновь возникает классическая положительная корона.

разряд факельный индуктивность

Литература

1. Loeh L.B. Electrical coronas. University of California Press, 1965.

2. Капцов Н.А. Коронный разряд. - М.: ОГИЗ Гостехиздат, 1947.

3. Hermstein W. // Arch. Electrotech. - 1960. - V.45. - P. 209.

4. Fieux R.. Boutteau M. // Mater. Electriques. -1970. - № 2. - Р. 55

5. Trichel G.W. // Phys. Rev. 1939. - V.55. - P. 382.

6. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Дерюгин А.А., Напа-ртович А.П., Панькин М.В., Трушкин Н. И. Ин- тегральные и локальные характеристики протяженной положительной короны в воздухе в режиме нелинейных колебаний: эксперимент // Физика плазмы. - 1999. -Т. 25. - №11.- С. 942.

7. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Дерюгин А.А., Напар-тович А.П., Панькин М.В., Трушкин Н. И. Интегральные и локальные характеристики протяженной положительной короны в воздухе в режиме нелинейных колебаний: теория // Физика плазмы. - 1999. - Т. 25. - №11. - С. 953.

8. Ким К.С., Лелевкин В.М., Токарев А.В., Юданов В.А. Линейный коронный факельный разряд // Сб. научн. тр. - Вып. 3. - Бишкек: Кыргызско-Российский Славянский университет, 2000. - С. 23-31.

9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - С. 507.

10. Енохович А.С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1978. - С. 120.

11. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. - М.: Госизд. техно-теор. лит, 1952. - С. 200.

Размещено на Allbest.ru