تحليل مبدأ التفريغ الجزئي

تحليل مبدأ التفريغ الجزئي (1)

تحت تأثير المجال الكهربائي، يحدث التفريغ في نظام العزل فقط في بعض المناطق ولا يخترق بين الموصلات المطبقة عليها الجهد. هذا الظاهرة تسمى التفريغ الجزئي. إذا حدث التفريغ الجزئي بالقرب من موصل محاط بالغاز، يمكن أيضًا تسميته بالهلة.

يمكن أن يحدث التفريغ الجزئي ليس فقط على حافة الموصل ولكن أيضًا على سطح العازل أو داخله. يُطلق على التفريغ الذي يحدث على السطح اسم التفريغ الجزئي السطحي، وعلى التفريغ الذي يحدث داخل العازل اسم التفريغ الجزئي الداخلي. عند حدوث التفريغ في الفجوة الهوائية داخل العازل، ستكون التغيرات والتراكمات في الشحنات داخل الفجوة الهوائية متعاكسة بالضرورة في تغيرات الشحنات للموصلات (أو الموصلات) عند طرفي العازل. يمكن تحليل العلاقة بينهما بواسطة دارة معادلة.

لتوضيح عملية تطور التفريغ الجزئي، نأخذ كابل البولي إيثيلين المتصل عرضيًا كمثال. عندما يكون هناك فجوة هوائية صغيرة داخل وسط العزل الكابلي، تكون دارته المعادلة كما يلي:

في الشكل، Ca هي سعة الفجوة الهوائية، Cb هي سعة العازل الصلب المتسلسل مع الفجوة الهوائية، وCc هي سعة الجزء السليم المتبقي من العازل. إذا كانت الفجوة الهوائية صغيرة جدًا، فإن Cb أصغر بكثير من Cc وأصغر بكثير من Ca. عند تطبيق جهد متناوب بقيمة لحظية u بين الأقطاب، يكون الجهد ua عبر Ca هو .

عندما يزداد ua مع u ليصل إلى جهد التفريغ U2 للـ    الفجوة الهوائية، تبدأ الفجوة الهوائية في التفريغ. الشحنات الفضائية الناتجة عن التفريغ ستقوم بإنشاء مجال كهربائي، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في الجهد عبر Ca إلى الجهد المتبقي U1. في هذه اللحظة، تنطفئ الشرارة ويتم إكمال دورة التفريغ الجزئي الواحدة.

خلال هذه العملية، يظهر نبضة تيار تفريغ جزئي متناظرة. عملية التفريغ قصيرة جدًا ويمكن اعتبارها تكتمل فورًا. كل مرة يتم فيها تفريغ الفجوة الهوائية، ينخفض جهدها فورًا بمقدار Δua = U2 - U1. مع استمرار ارتفاع الجهد المطبق، يتم إعادة شحن Ca حتى يصل ua إلى U2 مرة أخرى، وتقوم الفجوة الهوائية بالتفريغ للمرة الثانية.

في اللحظة التي يحدث فيها التفريغ الجزئي، تقوم الفجوة الهوائية بإنتاج نبضات جهد وتيار، والتي بدورها تخلق مجالات كهربائية ومغناطيسية متحركة في الخط. يمكن القيام بكشف التفريغ الجزئي بناءً على هذه المجالات.

في الكشف الفعلي، تم العثور على أن حجم كل تفريغ (أي ارتفاع النبضة) ليس متساويًا، وتحدث معظم التفريقات في مرحلة الصعود لقيمة الجهد المطبق المطلقة. فقط عندما يكون التفريغ شديدًا للغاية، سيتسع ليشمل مرحلة الهبوط لقيمة الجهد المطلق. هذا لأن هناك غالبًا فقاعات هوائية متعددة تفرغ في نفس الوقت؛ أو يوجد فقاعة هوائية كبيرة واحدة، ولكن كل تفريغ لا يغطي منطقة الفقاعة بأكملها، بل منطقة محلية فقط.

من الواضح أن كمية الشحنات لكل تفريغ ليست بالضرورة متساوية، وقد تكون هناك تفريقات عكسية، والتي قد لا تحييد الشحنات المتراكمة الأصلية. بدلاً من ذلك، تتراكم الشحنات الموجبة والسالبة بالقرب من جدار الفقاعة، مما يؤدي إلى التفريغ السطحي على طول جدار الفقاعة. بالإضافة إلى ذلك، المساحة القريبة من جدار الفقاعة محدودة. أثناء التفريغ، يتكون قناة موصلة ضيقة داخل الفقاعة، مما يؤدي إلى تسرب بعض الشحنات الفضائية الناتجة عن التفريغ.