Università degli studi di Padova
Dipartimento di ingegneria industriale
TEORIA STREAMER
- Azione della fotoionizzazione per la produzione di elettroni secondari
- Distorsione del campo locale ad opera della carica spaziale
- Azione più efficace quando la densità di carica è elevata
- Concetto di valanga critica
- Valanga critica quando
n = exp(-) d k
con k dell'ordine di 108 109, ossia
(-)d 20.
G.Pesavento
1
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B
D
E
C
A
1
2
Rappresentazione schematica della formazione e propagazione di uno streamer positivo
G.Pesavento
2
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Scarica in aria su lunga distanza con impulsi di fulminazione
1 s/div
Sviluppo temporale della scarica
Traccia superiore: Tensione applicata
Traccia inferiore: Campo elettrico al piano
G.Pesavento
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Sviluppo della scarica con onde di forma non convenzionale
5 s/div
Sviluppo temporale della scarica
G.Pesavento
Traccia superiore: Campo elettrico al
piano
Traccia inferiore: Tensione applicata
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Scarica in aria con onda di manovra
V1
Vi
Vim
Ti T1
G.Pesavento
TB
Fotografia risolta nel tempo dello sviluppo di una scarica
5
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G.Pesavento
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V50
(kV)
3000
25m
21m
14m
10m
2000
8m
5m
1000
2m
d
0
0
400
800
1200
Tcr (s)
G.Pesavento
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G.Pesavento
Tensione di scarica con polarità negativa in geometria asta-piano in funzione
del tempo alla cresta dell’impulso di tensione
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La scarica con polarità positiva
-il primo corona che avviene all'istante Ti;
-la formazione, all'istante T1, di un canale (leader) che si
propaga in modo continuo; dalla sua testa si sviluppa un
fenomeno corona e la propagazione del leader, che avviene a
velocità quasi costante, si protrae fino all'istante in cui gli
streamer raggiungono l'elettrodo opposto;
- il salto finale, che si sviluppa una volta che gli streamer del
corona di leader hanno raggiunto l’elettrodo opposto. Durante
questa fase il canale percorre l'ultimo tratto ad una velocità via
via crescente fino all'arrivo al piano all'istante TB in cui,
praticamente, si completa la scarica.
G.Pesavento
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Grazie al campo dovuto alla carica spaziale alla sua testa, lo streamer si
propaga oltre il punto P, in zone dove il solo campo geometrico Eg non
sarebbe sufficiente alla moltiplicazione di cariche.
Lo streamer risulta un filamento parzialmente ionizzato con una caduta di
tensione, a pressione atmosferica, di circa 5 kV/cm.
La velocità dell'ordine di 102÷103 cm/µs; può arrestarsi prima di arrivare
all'elettrodo opposto, lasciando, in questo caso, nella zona in cui si è
propagato una certa quantità di carica, prevalentemente positiva.
Dato il peso prevalente che, nella propagazione, ha il campo prodotto dalla
carica spaziale alla sua testa, lo sviluppo di uno streamer segue solo
approssimativamente le linee del campo applicato.
E' da osservare infine che nel caso che due valanghe secondarie di
sufficienti dimensioni arrivino contemporaneamente da direzioni diverse
sulla testa dello streamer, si può originare una diramazione del filamento;
via via che il fenomeno si ripete, lo sviluppo del fenomeno corona acquista
sempre più una struttura di tipo "arborescente".
G.Pesavento
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N
0
Vim
Vi
V
Distribuzione delle tensioni di innesco del corona
G.Pesavento
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Vc
(kV)
25 cm
255 cm
1860 kV/s
1380 kV/s
800
Vc
1080 kV/s
600
790 kV/s
400
660 kV/s
200
0
0,2
G.Pesavento
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
t (s)
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Leader
Dopo il primo corona, i fenomeni di ionizzazione possono ricominciare con lo
sviluppo, a partire dallo stem di corona, di un canale parzialmente ionizzato,
nel seguito chiamato leader, che si propaga, in modo abbastanza continuo,
verso l’elettrodo opposto, preceduto dalla formazione da corona che si
sviluppano alla sua punta.
Durante la fase di propagazione continua, il leader avanza con una velocità
quasi costante, dell'ordine di 1,5 ÷ 2 cm/µs, seguendo un percorso tortuoso,
che risulta del 10-30% più lungo della minima distanza tra gli elettrodi. La
corrente associata all'avanzamento del leader è quasi costante, indicando una
carica per unità di lunghezza del canale dell'ordine di qualche decina di µC/m.
G.Pesavento
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La formazione e propagazione del leader, che presuppone un aumento
del campo elettrico precedentemente ridotto dalla carica spaziale
dovuta alla formazione del corona, può essere attribuito a tre differenti
cause:
-l'aumento della tensione applicata, e quindi del campo geometrico;
-il movimento della carica spaziale, e quindi un ritorno verso la
distribuzione di campo geometrico iniziale;
- la trasformazione di una parte dei filamenti di corona, in particolare lo
stem, in elementi a conducibilità più elevata.
G.Pesavento
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Il salto finale
Quando gli streamer del corona di leader raggiungono l'elettrodo
opposto, ha inizio la fase di salto finale: la velocità del leader e la
corrente associata aumentano quasi esponenzialmente fino a che il
canale ha coperto la totale distanza tra gli elettrodi. All'inizio del salto
finale la tensione applicata V può essere espressa da
V = E1L1 + EsLs
dove E1 e Es sono i gradienti medi lungo il canale di leader e nella zona
degli streamer. In queste condizioni la corrente è legata alla conducibilità
del leader e degli streamer.
G.Pesavento
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Ll
Ls
Leader e streamer all’inizio del salto finale
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POLARITA’ NEGATIVA
Corona impulsivo
Eg
(a)
(b)
A
B
(c)
(d)
(e)
G.Pesavento
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La scarica con polarità negativa
Formazione di una scarica con polarità negativa.
A: leader negativo; B: leader spaziale; C e G: streamer positivi;
D: stem spaziale; E: streamer negativi; F: leader positivo
G.Pesavento
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Il salto finale
Fotografia risolta nel tempo; gap di 1 m e tensione 2/2500 s – Polarità negativa
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T
G.Pesavento
Fotografia al convertitore di immagine degli ultimi 10 s dello sviluppo
della scarica in un gap di 4 m con una punta sulla superficie piana
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La scarica con entrambi gli elettrodi sollecitati
E
d
H
Distribuzione del campo in una geometria asta-asta
G.Pesavento
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U50
negativo
H
=
positivo
H
=0
d
d
H
d
G.Pesavento
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L’isolamento fase-fase
Tb
to
Tcr+
V+
v-
t
V-
Tcr-
G.Pesavento
Tcr
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V
α
V V
kV
3000
D=4 m
(V+ + V-)
1- Asta – asta orizzontale
1
2 – Asta – asta verticale
2
2000
1000
0
G.Pesavento
0
0,5
1
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V50
(MV)
4
Negativo
3
Positivo
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
d (m)
Valori minimi della tensione di scarica in funzione della distanza
G.Pesavento
25
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5000
V50
(kV)
E50
(MV/m)
4000
Negativo
1,0
3000
Negativo
0,8
Positivo
2000
0,6
Positivo
0,4
1000
d
0,2
0
0
0
2
4
d (m)
6
8
Tensione di scarica con sovratensione da
fulminazione
G.Pesavento
0
2
4
6
8
d (m)
Gradienti medi alla tensione di scarica
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-Polarità positiva:
V50 = 500 d0,6
V50 =
3400
8
1
d
(fino a 10 m);
(da 2 a 15 m);
V50 = 1400 + 55 d
(da 15 a 30 m)
con V espresso in kV e d in metri. La deviazione standard è di circa il 5%.
-Polarità negativa:
V50 = 1180 d0,45
con V espresso in kV e d in metri. La deviazione standard è di circa l'8%.
G.Pesavento
27
