РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ, ЖИДКОСТЯХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Аннотация. В статье рассматривается процесс возникновения разрядов в газах, жидкостях и твердых диэлектриках и природа их существования. Озвучены современные способы использования каждого из рассмотренных разрядов на практике в современном мире.

Ключевые слова: электрический разряд, пробой диэлектрика, частичный разряд, ионизация, электрическая прочность.

Электрический разряд – обширное понятие, которое включает в себя все виды и случаи перемещения заряженных частиц под действием электрического поля. Таким образом, любой разряд требует наличие электронов и ионов, образующихся под действием ионизационных процессов. Все электрические разряды делятся на две категории: несамостоятельные, которые протекают за счёт внешнего источника заряженных частиц, и самостоятельные, которые продолжают гореть и после отключения внешнего источника свободных ионов.

Обычно электрон находится на уровне возбуждения непродолжительное время, порядка 10-8с. При получении частицей значительной энергии он удаляется от ядра на достаточно большое расстояние, чтобы потерять с ним связь и стать свободным. Наименее связанными с ядром являются валентные электроны, которые находятся на более высоких энергетических уровнях и поэтому легче отрываются от атома. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией [1].

Ионизация

Ионизация атомов и молекул заключается в отщеплении одного или нескольких электронов; при их потере атомы превращаются в положительные ионы. Отделившиеся свободные электроны наряду с положительно заряженными ионами участвуют в создании электрического тока в газах.

Ударная ионизация заключается в буквальном пробивании нейтральных атомов движущимся электроном, обладающим достаточной кинетической энергии. При их столкновении нейтральный атом теряет один или несколько электронов, в результате чего нейтральный атом становится положительным ионом, а газ обогащается новыми электронами.

Фотоионизация возникает вследствие поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов.  Чем выше частота, тем выше способность фотона к ионизации. Источником фотонов, способных к ионизации, могут служить не только внешние излучатели, но и сами атомы, участвующие в газовом разряде. В возбужденном атоме электрон, смещенный на внешнюю орбиту, удерживается на ней в течение очень короткого промежутка времени – порядка 10^-10 с [2].

Термоионизация. Процесс термоионизации играет важную роль в столбе электрической дуги. Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные ионы, как и нейтральные атомы, движутся хаотично.

Электрический разряд  в газе

Газ, который состоит только из нейтральных молекул, являясь идеальным диэлектриком. Совершенно не проводит электрический ток. В реальных условиях во всех газах присутствует небольшое количество заряженных частиц. Они возникают вследствие воздействия естественных ионизаторов, таких как УФ или радиоактивное излучение Земли и сообщают газу определенную, но низкую электропроводность. Для повышения этого показателя на практике прибегают к искусственной ионизации.

Существует 4 типа самостоятельных разрядов:

• тлеющий разряд, возникающий при низких давлениях. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии;
• искровой разряд при давлениях порядка атмосферного;
• дуговой разряд;
• коронный разряд.

Последний широко применяется в бытовой очистке воздуха и лежит в основе действия очень важных физических приборов – счетчиков элементарных частиц. Они позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные осуществить ионизацию газа посредством соударений. Современные счетчики легко определяют попадание в них даже одной частицы.

Дуговой разряд (электрическая дуга)

Вследствие высокой температуры электроды электрической дуги испускают яркий свет, и поэтому она используется в производстве осветительных приборов. Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). В настоящее время ее применяют в промышленных электропечах.

Тлеющий разряд используют в основном для освещения. Применяется в люминесцентных лампах.

Разряды в жидкостях

Вследствие высокой температуры электроды электрической дуги испускают яркий свет, и поэтому она используется в производстве осветительных приборов. Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). В настоящее время ее применяют в промышленных электропечах [3].

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, позволяющий установить влияние на процесс электрического разряда в жидкости ее чистоты и химического состава, а также внешних условий — температуры, конфигурации электродов и др.

Согласно практическим испытаниям, проведенным в рамках докторской диссертации Petri Ajo bp Лаппеерантского технологического университета, импульсный коронный разряд (PCD) может значительно снизить экологическую нагрузку сточных вод. Эффективность этого процесса зависит от температуры, скорости потока, задержек и расположения процесса в цепи очистки сточных вод. Исследование было направлено на удаление вредных органических веществ, таких как фармацевтические остатки.

Они были нейтрализованы в сточных водах очистных сооружений Тойкансуо в Лаппеенранте и Фонда Риннекоти в Эспоо, а также в Центральной больницы Южной Карелии. Согласно экспериментальным испытаниям подобные отходы, их разновидности и другие подобные смеси легко деградировать из сточных вод, поскольку этот процесс является неселективным. Исследование также показало, что мгновенный распад фармацевтических субстанций можно считать нормальной частью реакционной цепи в процессе очистки.

Разряд в твердых диэлектриках

Электрическая прочность твердой изоляции выше, чем газообразной или жидкой. Она зависит от следующих факторов: форма поля, вид напряжения и полярности, длительность воздействия напряжения, однородность диэлектрика, электрофизических характеристик и температуры.

Частичные разряды возникают только в местах с пониженной электрической прочностью. Они представляют собой пробой газовых включений, локальные пробои малых объемов твердого диэлектрика. Частичные разряды редко приводят к сквозному пробою, это возможно лишь при длительном воздействии [4]. Итак, возникновение частичного разряда всегда свидетельствует о неоднородности диэлектрика.

Разрушающее действие разрядов на диэлектрик обусловлено следующими причинами: влиянием ударных волн; бомбардировкой заряженными частицами; воздействием излучения и химически активными продуктами разряда; тепловым воздействием; появлением побегов-дендритов.

В 1932 г. Б.М. Вулом было сформулировано определение стадий пробоя твердых диэлектриков. Согласно этому определению следует различать стадию потери диэлектриком электрической прочности и стадию разрушения. Стадия разрушения автоматически следует за стадией потери электрической прочности. Такое разделение процесса электрического пробоя на две стадии было полезно в методологическом отношении, поскольку оно показывало, что основное внимание в первую очередь должно быть уделено изучению стадии потери электрической прочности.

Частичные разряды в диэлектриках используются при диагностике состояния изоляции электротехнического оборудования. Этот способ выявляет дефекты поверхности, которые впоследствии могли бы стать причиной поломки. Наиболее оптимальным диагностическим параметром частичных разрядов является мощность ЧР.

Система диагностики по ЧР с использованием комплекса характеристик частичных разрядов, получаемых разработанным ПО, является эффективной как для оценки текущего состояния изоляции, так и для прогнозирования ее остаточного ресурса.

Список литературы:

1. Физика диэлектриков (область сильных полей): Учебное пособие. – 2-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 245с.
2. Разевига Д.В., Техника высоких напряжений: Учеб. пособ. для вузов / Под общей ред.,  М.:Энергия, 1976. – 488 с.
3. Воробьев Г.А., Эффект внедрения разряда в твердый диэлектрик, погруженный в изолирующую жидкость // Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 4. – 125-126 с.
4. Eurekalert. URL:  https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/luot-pcd041318.php (дата обращения: 18.01.2007).
5. Важов В. Ф.,  Лавринович В. А., Техника высоких напряжений: курс лекций / – Томск: Изд-во ТПУ, 2008 – 150 с.