Направление: 010900 “Прикладные математика и физика”
Профиль: Электронно-Ионные процессы в жидкостях и газах
Кафедра радиофизики
Научный руководитель: проф.-р, д.ф.-м.н. Ю.К.Стишков
Рецензент: доцент к.ф.-м.н. М.А. Павлейно

Исследование взаимовлияния стримерных процессов в многокамерных электрофизических системах с барьерной изоляцией

Зачастую твердая изоляция в электрофизических конструкциях является многокамерной, т.е. состоящей из отдельных, не сообщающихся между собой объемов воздуха, разделенных твердыми диэлектрическими перегородками ("барьерами"). Проникновение стримеров сквозь диэлектрический барьер невозможно, поскольку в твердом барьере ударная ионизация не происходит, а следовательно, невозможен и стримерный механизм разряда. Однако перенос заряда стримерами в одной "камере" может существенно исказить электрическое поле в соседней "камере", приводя к зарождению там стримеров. В работе исследуется влияние подобного механизма на стримерные и лидерные процессы в многокамерных конструкциях, в т.ч. близких по геометрии к реальным промышленным устройствам. Также рассматривается вопрос о применимости общепринятых приближенных методов расчета стримерных процессов к подобным ситуациям и возможности расчета напряжения возникновения стримера и напряжения пробоя.
	По итогам работы можно сделать следующие основные выводы:
1. При наличии близко расположенных электрофизических конструкций имеется два механизма влияния соседней конструкции на напряжение пробоя в основной конструкции: а) при отсутствии разрядной активной активности внесение новой конструкции искажает невозмущенное поле; б) возникновение стримеров за пределами основной конструкции приводит к искажению электрического поля внутри нее. Исследование показало, что (по крайней мере для систем рассмотренного типа) фактор б) более существенен и является определяющим для электропрочности конструкции.
2. Показано, что стримерные процессы в соседних частях электрофизической конструкции могут вызывать пробой двух типов:
а) "Внутренний" пробой, когда искровой канал идет по кратчайшему расстоянию между активным электродом и заземленной плоскостью.
б) Пробой встречными лидерами, когда стенка, разделяющая внутреннюю и внешнюю области, играет роль барьера, и лидеры стелятся по ней, замыкая промежуток по пути значительно длиннее кратчайшего. В этом случае при слабой электропрочности изолирующего материала может произойти сквозной пробой твердой изоляции.
2. Показано, что в ряде случаев один из механизмов легко сменяется другим. Это связано с тем, что для обоих вариантов пробоя необходимо возникновение мощных стримеров во "внешней" области. В связи с этим можно предположить, что и методы повышения напряжения пробоя в этих ситуациях общие и соответствуют методам "борьбы" с встречными лидерами - прежде всего, это увеличение толщины изоляции в области между электродами.
3. Показано также, что может реализовываться промежуточная ситуация - пробой происходит по искровому каналу внутри цилиндра, но снаружи заметен незамкнувшийся встречный лидер. Это еще один аргумент в пользу тезиса о том, что механизмы пробоя по одному и другому механизму близки.
4. Показано, что оба механизма пробоя, могут рассматриваться как пробои встречными лидерами. Зарождение пары встречных лидеров происходит в области между активным и заземленным фазовым электродами. Случай "внутреннего" пробоя соответствует ситуации, когда образовавшаяся пара встречных лидеров идет вниз. В этом случае лидер, идущий между конструкциями, в какой-то момент начинает двигаться против поля и быстро затухает. Второй лидер, движущийся внутри основного воздушного промежутка, достигает заземленной плоскости и обеспечивает пробой. Случай "пробоя встречными лидерами" соответствует ситуации, когда образовавшаяся пара лидеров идет вверх. В этом случае пара лидеров достигает края изоляции и замыкается, образуя единый искровой канал.
4. Качественный характер пробоя зависит, прежде всего, от расстояния между активным электродом и заземленным «фазовым» электродом (вторым цилиндром или стержнем). В случае двух цилиндров это расстояние определяется параметром d, а в случае системы «цилиндр-стержень» - расстояние между цилиндром и стержнем растет с ростом d и падает с ростом b.
Можно выделить две закономерности. При большом расстоянии между активным электродом и фазовым заземленным электродом: а) порог лавинно-стримерного перехода в области «A» близок к напряжению пробоя; б) пробой идет по механизму внутреннего пробоя, в области «B».
5. Расчетный порог ЛСП перехода в области «А» (внешней, т.е между цилиндрами или между цилиндром и стержнем) дает оценку снизу напряжению пробоя. Однако при малых зазорах d (меньше 50 мм) напряжение пробоя может быть гораздо выше, причем расхождение порога ЛСП и напряжения пробоя растет с уменьшением d. Более точную оценку при малых d дает расчет напряжения пробоя встречными лидерами, поскольку именно этот механизм здесь доминирует, однако эта методика верифицирована лишь для барьеров простой формы (мало искривленных и почти постоянной толщины); также проблему для применения этой методики представляет то, что заведомо неясно, будет ли пробой встречным или внутренним. Отметим, что расчет порога ЛСП внутри цилиндра (в области "B") нецелесообразен и согласуется с экспериментом еще хуже, чем расчет ЛСП в области "A". Это связано с тем, что первопричиной пробоя в данном случае служат стримеры между слоями изоляции, а не у поверхности активного электрода.