Электрический пробой. Пробой диэлектриков

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые ха­рактеристики полей вокруг проводников. Зарядим электри­чеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у ко­торого есть острие или ребро (например, в форме, изображен­ной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по по­верхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пла­стине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Фиг. 6.14. Электрическое по­ле у острого края проводника очень велико.

Вообще в тех местах проводника, в которых радиус кривизны меньше, поле оказывается сильнее. Чтобы убедиться в этом, рас­смотрим комбинацию из большой и маленькой сфер, соединен­ных проводом, как показано на фиг. 6.15. Сам провод не будет сильно влиять на внешние поля; его дело - уравнять потен­циалы сфер. Возле какого шара поле окажется более напряжен­ным? Если радиус левого шара а, а зарядQ, то его потенциал примерно равен

(Конечно, наличие одного шара скажется на распределении за­рядов на другом, так что на самом деле ни на одном из них заря­ды не будут распределены симметрично. Но если нас интересует лишь примерная величина поля, то можно пользоваться форму­лой для потенциала сферического заряда.) Если меньший шар радиусом b обладает зарядом q, то его потенциал примерно ра­вен

Но  1 = 2 , так что

Сдругой стороны, поле у поверхности [см. уравнение (5.8)] пропорционально поверхностной плотности заряда, которая в свою очередь пропорциональна суммарному заряду, делен­ному на квадрат радиуса. Получается, что

Фиг. 6.15. Поле остроконеч­ного предмета можно прибли­женно считать полем двух сфер одинакового потенциала.

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля об­ратно пропорциональны радиусам.

Этот результат с технической точки зрения очень важен, потому что в воздухе возникает пробой, если поле чересчур велико. Какой-нибудь свободный заряд в воздухе (электрон или ион) ускоряется этим полем, и если оно очень сильное, то за­ряд может набрать до столкновения с атомом такую скорость, что вышибет из атома новый электрон. В итоге появляется все больше и больше ионов. Их движение и составляет искру, или разряд. Если вам требуется зарядить тело до высокого потен­циала так, чтобы оно не разрядилось в воздух, вы должны быть уверены, что поверхность тела гладкая, что на нем нет мест, где поле чересчур велико.

§ 12. Ионный микроскоп

Сверхвысокое электрическое поле, окружающее всякий острый выступ заряженного проводника, получило интересное применение в одном приборе. Работа ионного микроскопа обус­ловлена мощными полями, возникающими вокруг металличе­ского острия. Устроен этот прибор так. Очень тонкая игла, диаметр кончика которой не более 1000 Å, помещена в центре стеклянной сферы, из которой выкачан воздух (фиг. 6.16). Внутренняя поверхность сферы покрыта тонким проводящим слоем флуоресцирующего вещества, и между иглой и флуоре­сцирующим покрытием создана очень высокая разность потенциалов.

Посмотрим сперва, что будет, если игла по отношению к флу­оресцирующему экрану заряжена отрицательно. Линии поля у кончика иглы сконцентрированы очень сильно. Электрическое поле может достигать 40 10 6 в на 1 см. В таких сильных полях электроны отрываются от поверхности иглы и ускоряются на участке от иглы до экрана за счет разности потенциалов. Достигнув экрана, они вызывают в этом месте свечение (в точности, как на экране телевизионной трубки).

Фиг. 6.16. Ионный мик­роскоп.

Электроны, пришедшие в данную точку флуоресцирующей поверхности,- это, в очень хорошем приближении, те самые электроны, которые покинули другой конец радиальной линии поля, потому что электроны движутся вдоль линий поля, сое­диняющих кончик иглы с поверхностью сферы. Так что на поверхности мы видим своего рода изображение кончика иглы. А точнее, мы видим картину испускателъной способности по­верхности иглы, т. е. легкости, с которой электроны могут оставить поверхность металлического острия. Если сила разре­шения достаточно высока, то можно рассчитывать разрешить положения отдельных атомов на кончике иглы. Но с электро­нами такого разрешения достичь нельзя по следующим причи­нам. Во-первых, возникает квантовомеханическая дифракция электронных волн, и изображение затуманится. Во-вторых, в результате внутреннего движения в металле электроны имеют небольшую поперечную начальную скорость в момент вырывания из иглы и эта случайная поперечная составляющая ско­рости приведет к размазыванию изображения. В общей слож­ности эти эффекты ограничивают разрешимость деталей вели­чиной порядка 25А.

Если, однако, мы переменим знак напряжения и впустим в колбу немного гелия, то детали разрешены будут лучше. Когда атом гелия сталкивается с кончиком острия, мощное поле срывает с атома электрон, и атом заряжается положительно.

Фие. 6 .17. Изображение, полученное ионным микро­скопом.

Затем ион гелия ускоряется вдоль силовой линии, пока не по­падет в экран. Поскольку ион гелия несравненно тяжелее элект­рона, то и квантовомеханические длины волн у него намного меньше. А если к тому же температура не очень высока, то и влияние тепловых скоростей также значительно слабее, чем у электрона. Изображение размазывается меньше и получается куда более резкое изображение кончика иглы. С микроскопом, работающим на принципе ионной эмиссии, удалось добиться увеличения вплоть до 2 000 000 раз, т. е. в десять раз лучше, чем на лучших электронных микроскопах.

На фиг. 6.17 показано, что удалось получить на таком мик­роскопе, применив вольфрамовую иглу. Центры атомов вольфра­ма ионизуют атомы гелия чуть иначе, чем промежутки между атомами вольфрама. Расположение пятен на флуоресцирующем экране демонстрирует расстановку отдельных атомов на воль­фрамовом острие. Почему пятна имеют вид колец, можно по­нять, если представить себе большой ящик, набитый шарами, уложенными в прямоугольную сетку и образующими таким обра­зом кубическую решетку. Эти шары - как бы атомы в металле. Если вы из этого ящика вырежете примерно сферическую часть, то увидите картину колец, характерную для атомной структуры. Ионный микроскоп впервые снабдил человечество средством видеть атомы. Замечательное достижение, да еще полученное с таким простым прибором.

*См. статью Мюллера [Е. W. Mueller , The field-ion microscope, Advances in Electronics and Electron Physics, 13, 83 (I960)].

Страница 27 из 62

Отсутствие частичных разрядов (ЧР, ПЧР), а также пробоев в воздухе и вдоль поверхности на высокой частоте, по сравнению с их отсутствием на промышленной частоте, является более важным для изоляционных конструкций. Возникновение ЧР приводит к образованию радиопомех, а также к перерастанию ЧР в крайне опасную для аппаратуры факельную форму разряда.
Напряжение образования ПЧР в удобной для аналитического определения форме можно вычислить по формуле

Рис. 3.5. Зависимость напряжения пробоя от расстояния между электродами шар-плоскость (кривые 1.. .3) и гиперболоид-плоскость (кривые 4 и 5) на частоте 50 и 1000 кГц
1- r= 1,4 мм; 2 - r=3 мм; 3 - r=5,5 мм; 4 - r=2 мм; 5 - r= 10 мм
где I - расстояние между электродами; r0- наименьший радиус кривизны электродов; kH - коэффициент неравномерности электрического поля; с - коэффициент, зависящий от формы импульса напряжения и коэффициента неравномерности электрического поля; δ - относительная плотность воздуха.
Необходимость исследования пробоя в воздухе на высоких частотах, помимо общеизвестных причин, возникает для конструкций с твердой изоляцией в случае применения некороностойких полимерных материалов (ПЭ, ПП, Ф-4 и др) с целью создания системы изоляции, гарантирующей отсутствие пробоя вдоль поверхности тела изолятора.
С повышением частоты наблюдается снижение разрядных напряжений по сравнению с постоянным напряжением и напряжениями промышленной частоты.
Из рис. 3.5 виден характер изменения напряжения с ростом межэлектродного расстояния и изменением радиусов кривизны электродов.
Зависимость напряжения пробоя от частоты для указанных электродов четко выявляется только у кривых 1 и 2, где напряжение на частоте 50 кГц примерно на 6% больше, чем на частоте 1000 кГц. На других разрядных промежутках различие составляет 1 ...2% и четко фиксироваться не может. Это снижение связано с накоплением объемного заряда положительных ионов в разрядном промежутке, который искажает электрическое поле и увеличивает его в активной области около катода.
Работами группы А. А. Жукова найдено, что образование на высоких частотах токов отрицательных и положительных ионов при низких значениях напряжения свидетельствует о начале формирования объемного заряда до значений предпробойных напряжений и только перед пробоем начинается его быстрый рост. При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.

< 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф> 0·
Таблица 3.5


В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7 ... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф > 0.
Таблица 3.5


В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.

Для практических целей можно воспользоваться значениями разрядных напряжений в нормальных условиях для коэффициента неравномерности электрического поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблица 3.6

Для слабо неравномерных электрических полей имеет место монотонное уменьшение разрядного напряжения с ростом частоты.
Таблица 3.7


Коэффициенты неравномерности электрического поля и напряженности образования ЧР можно определить из уравнений, приведенных в табл. 3.7, где I - расстояние между электродами;

r - радиус кривизны; р = r/l; δ - относительная плотность воздуха.
Для экспериментальных данных разрядных напряжений между электродами шар-шар, шар-плоскость, гиперболоид вращения - гиперболоид вращения, гиперболоид вращения - плоскость и для коаксиальных систем были определены с использованием программы AXIAL значения максимальных напряжений, которые сравнивались со значениями, определенными по Бенингу для частот до 20 МГц.
Таблица 3.8
Разрядные характеристики для электродов шар - шар (амплитудные значения)


Характеристики, приведенные в табл. 3.8... 3.10, могут быть использованы для приближенных расчетов значений k и l конструкций с близкими геометриями.
Рассчитанные по табл. 3.7 значения kн для межэлектродных расстояний 5... 20 мм соответственно равны 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.

Таблица 3.9
Разрядные характеристики для электродов шар - плоскость при r0 = 10 мм
(амплитудные значения)


Анализируя экспериментальные значения пробоя воздушных промежутков шар-шар радиусом 10 мм (табл. 3.8), можно наблюдать, что при одинаковой форме электродов с ростом изоляционного промежутка, помимо известного снижения Еср, существенно возрастает значение Еmах.
Значения величин Emаx, рассчитанных по Бенингу и по Пику, имеют значительные расхождения. Разница значений увеличивается с ростом расстояния между электродами, что характерно и для электродов шар-плоскость (табл. 3-9).
Таблица 3.10
Разрядные характеристики для электродов шар - плоскость при r= 3 мм и f= 5-103..1-106 Гц (амплитудные значения)


Величины Етax, определенные по программе AXIAL и по Бенингу, практически не различаются и могут быть использованы для определения изоляционных промежутков и выбора геометрии электродов.

Сравнение табл. 3.8 и 3.9 показывает, что при одинаковых радиусах кривизны шаров и расстояниях между электродами большие значения напряжений пробоя имеют место для электродов шар-шар, что, очевидно, вызвано более равномерным электрическим полем и, следовательно, более равномерным распределением заряда вдоль поверхности электрода. Из сравнения также видно, что при расстояниях более 15 мм большие значения Етах не свидетельствуют о большем значении напряжения пробоя. Поэтому предварительный выбор формы и размеров изоляционных промежутков целесообразно производить не по значению Етах, а по к. Значения Етах не являются абсолютным критерием для выбора системы изоляции, в то время как уменьшение k всегда обеспечивает существенные преимущества по сравнению с неравномерными полями.
Для электродов шар-плоскость радиусом 3 мм (табл. 3.10) напряжения пробоя для диапазона частот 5 103... 106 Гц близки по своим значениям.
Значения Етах в 1,5 раза выше, чем напряженность для электродов типа шара радиусом 10 мм, но напряженность пробоя меньше в 1,5... 2 раза. Следовательно, при равных межэлектродных промежутках значении для шара радиусом 3 мм почти в 2 раза превосходят k для шара радиусом 10 мм. Это является дополнительным свидетельством универсальности выбора геометрии поля с учетом коэффициента kH.
Разрядные характеристики (амплитудные значения) для различных расстояний между гиперболоидами вращения и r0= 10 мм приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11

Таблица 3.12


Таблица 3.13

Для электродов гиперболоид вращения - плоскость и гиперболоид - гиперболоид (табл. 3.11) с радиусами кривизны 10мм характерно снижение значений Еср и Етах с увеличением расстояния между электродами и соответственно с ростом kH. Более высокие значения Uпр, а соответственно и Етах, Еср, при равных радиусах кривизны и расстояниях между электродами имеют место для электродов гиперболоид - гиперболоид.
Исходя из данных, приведенных в табл. 3.8... 3.11, следует, что при выборе высокочастотных изоляционных промежутков с электродами равного радиуса кривизны целесообразно применять их в следующем порядке: гиперболоид-гиперболоид, шар-шар, шар-плоскость, гиперболоид-плоскость, которые обеспечивают большую электрическую прочность при прочих равных условиях.
При выборе тех же изоляционных промежутков, исходя из напряжения образования ЧР, преимущества будут снижаться для электродов шар-плоскость, шар-шар, гиперболоид-гиперболоид, гиперболоид - плоскость.
Разрядные характеристики для коаксиальной системы с наружным диаметром 40 мм приведены в табл. 3.12.
Как видно из табл. 3.12, для коаксиальной системы характерны те же зависимости, что и для других элементов - рост напряжения пробоя с уменьшением kH и снижение его с повышением частоты.
Разрядные характеристики коаксиальной системы для различных значений внутреннего и внешнего радиусов кривизны на частоте 100 кГц (амплитудные значения) приведены в табл. 3.13.
Данные табл. 3.13 свидетельствуют о том, что с увеличением радиуса внешнего электрода при неизменном значении радиуса кривизны внутреннего, т. е. С ростом межэлектродного расстояния, возрастают напряжение разряда и максимальная напряженность электрического поля. При постоянном расстоянии между электродами и росте радиусов внутреннего и внешнего электродов, т. е. с уменьшением коэффициента неравномерности электрического поля, имеют место увеличение разрядного напряжения и уменьшение значения максимальной напряженности.
Факельный, или одноэлектродный, разряд является разновидностью высокочастотного разряда и возникает при частотах в несколько мегагерц «а участках электрода с максимальной напряженностью и максимальными градиентами температурного поля. Ионизация и повышение температуры воздуха в этих участках приводит к появлению столба ионизированного воздуха, который подымается, принимая форму факела. Образовавшийся факел (табл. 3.14) передвигается вместе с движением воздуха, разрушая изоляцию и другие элементы конструкции, так как его температура превышает 2000° С.
Попадая в область пониженной напряженности электрического поля, факел гаснет.

Наравне с влиянием на факельный разряд температуры ионизированного воздуха, на пороговое напряжение и критическую частоту могут влиять теплопроводность проводника, площадь его поверхности охлаждения, климатические факторы (влажность, запыленность).
Создание условий, исключающих создание на изоляционной конструкции факельного разряда, встречает трудности вследствие влияния на его образование случайных факторов, приводящих к возникновению локальных напряженностей или температурных излучений, скоплению пыли или влаги, образованию коротких замыканий или чрезмерных перенапряжений, например, при коммутациях. Наблюдались случаи образования факельного разряда при появлении насекомых на высокочастотных проводах.
Наличие факельного разряда недопустимо из-за опасности перегорания проводов, значительных потерь энергии и снижения формы передаваемого сигнала.

Снижение напряжения пробоя вдоль поверхности изоляции до 20... 25% с ростом частоты для конструкций со слабо неравномерным полем наблюдается уже при 10...20 кГц. Более раннее, по сравнению с пробоем воздушных промежутков, достижение первой критической частоты можно объяснить повышением напряженности электрического поля на границе диэлектрика, присутствием макро- и микронеоднородностей на поверхности вследствие недостаточной чистоты обработки поверхности диэлектрика, оседания пыли, влаги и т. п. Уменьшение напряжения поверхностного, по сравнению с воздушным, разряда обусловлено также ростом емкостных токов и процессом объемной ионизации воздуха с увеличением диэлектрической проницаемости твердой изоляции. Отсюда вытекают особые требования к снижению емкости, предъявляемые к высокочастотным изоляционным конструкциям - снижению площади арматуры, увеличению изоляционного промежутка, снижению диэлектрической проницаемости материала и др.
Проведенные группой А. А. Жукова испытания цилиндрических образцов из миполона, фторопласта-4 и стеатита марки Б-17, помещенных между электродами Роговского в диапазоне 1-5 МГц, показали:

1. по сравнению с аналогичным воздушным промежутком, имеющим пробой при напряжении 9,4 кВ, напряжение пробоя вдоль поверхности миполона составило 8,5 кВ, для Ф-4 - составило 8,75 кВ, а для Б-17 - снизилось до 5 кВ;
2. в отличие от пробоя в воздухе после пробоя вдоль поверхности при отсутствии высокочастотного напряжения наблюдается медленное (до 5 мин) спадание токов положительных и отрицательных ионов.

Предполагается, что причина этих явлений - накапливающийся на поверхности диэлектрика заряд. Поверхностный пробой происходит при наличии переменного высокочастотного поля и постоянной составляющей объемного заряда, не учитываемого измерительной аппаратурой.

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые характеристики полей вокруг проводников. Зарядим электричеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у которого есть острие или ребро (например, в форме, изображенной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пластине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Фигура 6.14. Электрическое поле у острого края проводника очень велико.

Вообще в тех местах проводника, в которых радиус кривизны меньше, поле оказывается сильнее. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим комбинацию из большой и маленькой сфер, соединенных проводом, как показано на фиг. 6.15. Сам провод не будет сильно влиять на внешние поля; его дело - уравнять потенциалы сфер. Возле какого шара поле окажется более напряженным? Если радиус левого шара , а заряд , то его потенциал примерно равен

(Конечно, наличие одного шара скажется на распределении зарядов на другом, так что на самом деле ни на одном из них заряды не будут распределены симметрично. Но если нас интересует лишь примерная величина поля, то можно пользоваться формулой для потенциала сферического заряда.) Если меньший шар радиусом обладает зарядом , то его потенциал примерно равен

Но , так что

С другой стороны, поле у поверхности [см. уравнение (5.8)] пропорционально поверхностной плотности заряда, которая в свою очередь пропорциональна суммарному заряду, деленному на квадрат радиуса. Получается, что

(6.35)

Фигура 6.15. Поле остроконечного предмета можно приближенно считать полем двух сфер одинакового потенциала.

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля обратно пропорциональны радиусам.

Этот результат с технической точки зрения очень важен, потому что в воздухе возникает пробой, если поле чересчур велико. Какой-нибудь свободный заряд в воздухе (электрон или ион) ускоряется этим полем, и если оно очень сильное, то заряд может набрать до столкновения с атомом такую скорость, что вышибет из атома новый электрон. В итоге появляется все больше и больше ионов. Их движение и составляет искру, или разряд. Если вам требуется зарядить тело до высокого потенциала так, чтобы оно не разрядилось в воздух, вы должны быть уверены, что поверхность тела гладкая, что на нем нет мест, где поле чересчур велико.

Сейчас мы качественным образом рассмотрим некоторые характеристики полей вокруг проводников. Зарядим электричеством проводник, но на сей раз не сферический, а такой, у которого есть острие или ребро (например, в форме, изображенной на фиг. 6.14). Тогда поле в этом месте окажется намного сильнее, чем в других местах. Причина в общих чертах состоит в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше всего от остальной поверхности. Поэтому часть зарядов на пластине течет к острию. Относительно малое количество заряда на нем может создать большую поверхностную плотность, а высокая плотность означает сильное поле близ проводника в этом месте.

Вообще в тех местах проводника, в которых радиус кривизны меньше, поле оказывается сильнее. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим комбинацию из большой и маленькой сфер, соединенных проводом, как показано на фиг. 6.15. Сам провод не будет сильно влиять на внешние поля; его дело — уравнять потенциалы сфер. Возле какого шара поле окажется более напряженным? Если радиус левого шара а, а заряд Q ,

(Конечно, наличие одного шара скажется на распределении зарядов на другом, так что на самом деле ни на одном из них заряды не будут распределены симметрично. Но если нас интересует лишь примерная величина поля, то можно пользоваться формулой для потенциала сферического заряда.) Если меньший шар радиусом b обладает зарядом q , то его потенциал примерно равен

Но φ 1 =φ 2 так что

С другой стороны, поле у поверхности [см. уравнение (5.8)] пропорционально поверхностной плотности заряда, которая в свою очередь пропорциональна суммарному заряду, деленному на квадрат радиуса. Получается, что

Значит, у поверхности меньшей сферы поле больше. Поля обратно пропорциональны радиусам.

Этот результат с технической точки зрения очень важен, потому что в воздухе возникает пробой, если поле чересчур велико. Какой-нибудь свободный заряд в воздухе (электрон или ион) ускоряется этим полем, и если оно очень сильное, то заряд может набрать до столкновения с атомом такую скорость, что вышибет из атома новый электрон. В итоге появляется все больше и больше ионов. Их движение и составляет искру, или разряд. Если вам требуется зарядить тело до высокого потенциала так, чтобы оно не разрядилось в воздух, вы должны быть уверены, что поверхность тела гладкая, что на нем нет мест, где поле чересчур велико.

Основными требованиями к системе зажигания являются:

1. Обеспечение искры в нужном цилиндре (находящемся в такте сжатия) в соответствии с порядком работы цилиндров.
2. Своевременность момента зажигания. Искра должна происходить в определенный момент (момент зажигания) в соответствии с оптимальным при текущих условиях работы двигателя углом опережения зажигания, который зависит, прежде всего, от оборотов двигателя и нагрузки на двигатель.
3. Достаточная энергия искры. Количество энергии, необходимой для надежного воспламенения рабочей смеси, зависит от состава, плотности и температуры рабочей смеси.
4. Общим условием для системы зажигания является ее надежность (обеспечение непрерывности искрообразования). Неисправность системы зажигания вызывает неполадки как при запуске, так и при работе двигателя:
   - трудность или невозможность запуска двигателя;
   - неравномерность работы двигателя - "троение" или прекращение работы двигателя - при пропусках искрообразования в одном или нескольких цилиндрах;
   - детонация, связанная с неверным моментом зажигания и вызывающая очень быстрый износ двигателя;
   - нарушение работы других электронных систем за счет высокого уровня электромагнитных помех и пр.

Режимами повышенной нагрузки являются пуск двигателя, резкое открытие дроссельной заслонки и работа двигателя на низких оборотах под максимальной нагрузкой. В этих режимах наполнение цилиндра топливовоздушной смесью близко к максимальному, искрообразование происходит тогда, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки. Следовательно, в этот момент давление газов внутри цилиндра приближается к максимально возможному.

На осциллограмме можно выделить 4 основных фазы: накопление энергии, момент пробоя, горение искры, затухающие колебания.

Время накопление энергии (заряда катушки) – интервал времени от замыкания катушки на землю и начала протекания через нее тока до искрового разряда обусловленного ЭДС самоиндукции катушки после разрыва цепи. Переходной процесс указывает на окончание эффективного заряда катушки (момент насыщения, ограничение тока заряда), после которого происходит бесполезный нагрев катушки током заряда – катушка больше не запасает энергии.

В некоторых случаях момент пробоя наступает немного раньше переходного процесса, это не считается неисправностью.

Незначительный недозаряд катушки зажигания. Норма

Если время заряда катушки заметно уменьшено, то это свидетельствует о неисправности, приводящей к уменьшению энергии, запасенной в катушке, а следовательно, к сокращению времени горения искры. Недостаток энергии может привести к пропускам зажигания при больших нагрузках, так как напряжение на вторичной обмотке катушки не будет достигать напряжения пробоя воздушного зазора свечи.

Значительный недозаряд катушки зажигания. Неисправность

Пробой возникает при размыкании первичной цепи катушки зажигания. При этом в ней возникает напряжение самоиндукции, которое приводит к быстрому нарастанию напряжения во вторичной обмотке. Напряжение увеличивается до тех пор, пока не превысит напряжение пробоя свечного зазора. Длительность пробоя составляет порядка 10-20 мкс. Напряжение пробоя зависит от промежутка между электродами свечи и от диэлектрических свойств среды, которая этот промежуток заполняет. При атмосферном давлении сухой воздух «пробивается» при напряжении около 30 кВ/см. При повышении давления и уменьшении содержания топлива в смеси напряжение пробоя растет.

Следующий участок – горение искры , свидетельствует о протекании постоянного тока в зазоре свечи. Напряжение горения составляет порядка 1-2 кВ. Время горения для всех цилиндров должно быть одинаковым и составляет от 1-1,5 мс до 2-2,5 мс, в зависимости от типа системы.

Энергия, запасенная в катушке расходуется на пробивание искрового зазора свечи и на поддержание горения искры. Чем выше пробивное напряжение, тем меньше длительность горения искры, а следовательно, ниже вероятность поджигания топлива. И наоборот: при низком напряжении пробоя время горения увеличивается, но это свидетельствует об уменьшенном зазоре в свече и снижении взаимодействия искры с топливной смесью, что также приводит к снижению вероятности поджигания топлива.

Увеличенный свечной зазор. Неисправность

На холостом ходу данная осциллограмма свидетельствует об увеличенном зазоре в свече. Требуемое напряжение пробоя увеличивается. Большая часть энергии будет тратиться на генерацию завышенного пробивного напряжения. Это приводит к значительному уменьшению продолжительности горения искрового разряда, уменьшению надежности воспламенения топливовоздушной смеси.

При работе двигателя под высокой нагрузкой, увеличенный искровой промежуток между электродами свечи зажигания может стать причиной пробоя недостаточно прочной или поврежденной высоковольтной изоляции элементов системы зажигания. В таком случае, искрообразование будет происходить вне камеры сгорания, что исключает вероятность надежного искрообразования.

Режим повышенной нагрузки

Режим повышенной нагрузки. Норма

Если данная осциллограмма наблюдается при работе двигателя под высокой нагрузкой, то это свидетельствует о нормальной работе системы зажигания. На участке горения искры можно наблюдать множественные "срывы" напряжения горения искры в виде "пилы", возникающие вследствие "сдувания" искры вихревыми и турбулентными потоками газов внутри камеры сгорания. Объясняется это тем, что при открытии дроссельной заслонки в цилиндр поступает больше воздуха, а из-за увеличения скорости поршня и давления в результате процесса горения, необходимо все большее напряжение для поддержания протекания тока.

Вследствие увеличения значения напряжения пробоя и среднего значения напряжения горения искры при работе двигателя под высокой нагрузкой, продолжительность горения искрового разряда уменьшается.

Режим повышенной нагрузки, пробой изоляции
Если при нагрузке на двигатель форма напряжения горения такая же как и на холостом ходе, то это свидетельствует о пробое изоляции за пределами камеры сгорания. Но при этом, в сравнении с работой двигателя на холостом ходу, несколько увеличиваются напряжение пробоя, напряжение горения искры и незначительно уменьшается время горения искры.

Режим повышенной нагрузки. Неисправность

Наиболее часто встречающимися пробоями высоковольтной изоляции элементов системы зажигания вне камеры сгорания являются пробой:

1. между высоковольтным выводом катушки зажигания и одним из выводов первичной обмотки катушки или "массой";
2. между высоковольтным проводом и корпусом двигателя;
3. между крышкой распределителя зажигания и корпусом распределителя;
4. между "бегунком" распределителя зажигания и валом распределителя зажигания;
5. свечного колпачка, между наконечником высоковольтного провода и корпусом двигателя;
6. поверхностный пробой керамического изолятора свечи зажигания (стекание заряда по поверхности изолятора) вследствие отложения на изоляторе токопроводящих загрязнений;
7. поверхностный пробой внутренней поверхности свечного колпачка (стекание заряда по внутренней поверхности изолятора) вследствие отложения на колпачке токопроводящих загрязнений;
8. внутри керамического изолятора свечи зажигания между центральным проводником и ее корпусом, вследствие образования в изоляторе трещины.

Заниженная компрессия или уменьшение свечного зазора. Неисправность

Похожая осциллограмма также может свидетельствовать об уменьшении зазора между электродами свечи зажигания, что затрудняет взаимодействие искрового разряда с топливовоздушной смесью, и, соответственно, снижает вероятность ее воспламенения.

Форма участка горения искрового разряда при этом отличается не существенно, может наблюдаться лишь незначительное увеличение продолжительности горения искрового разряда.

Загрязнение изолятора свечи зажигания со стороны камеры сгорания
При отсутствии резкого падения напряжения в конце горения можно сделать вывод, что изолятор свечи покрылся слоем проводника, что приводит к утечке тока и потере энергии горения искры. Напряжение пробоя при этом может несколько снизиться. Значение напряжения горения искры в первоначальный момент практически достигает значения напряжения пробоя, а к концу горения искры может снизиться до очень малой величины.

Загрязнение изолятора свечи. Неисправность

Количество затухающих колебаний может заметно уменьшиться, либо затухающие колебания могут вовсе отсутствовать. Зачастую, неисправность проявляется непостоянно, то есть, поверхностные токи могут чередоваться с нормальным искрообразованием между электродами свечи зажигания.

Загрязнение свечных электродов
Загрязнение поверхности электродов наблюдается в зашумленном сигнале искры, незначительном увеличении напряжения, а также уменьшении времени горения искры.

Загрязнение свечных электродов. Неисправность

Поверхность электродов и керамического изолятора свечи зажигания со стороны камеры сгорания может загрязняться вследствие отложения сажи, масла, остатков присадок к топливу и от присадок к маслу (отложения соединений свинца, соединений железа и пр.). В таких случаях цвет керамического изолятора свечи зажигания со стороны камеры сгорания определенным образом изменяется.

При такой неисправности создается дополнительное падение напряжения на сопротивлении ВВ провода при протекании по нему тока. Падение напряжения на сопротивлении высоковольтного провода максимально в начале горения искры, и постепенно уменьшается. Это приводит к уменьшению времени горения и энергии искры. Напряжение пробоя от величины сопротивления высоковольтного провода не зависит, так как величина искрового промежутка практически не изменяется.

Высокое сопротивление ВВ провода

Сопротивление высоковольтного провода может быть увеличенным вследствие окисления его контактов, старения или выгорания проводящего слоя высоковольтного провода либо вследствие применения слишком длинного высоковольтного провода.

Обрыв высоковольтного провода
Напряжение пробоя может достигать максимального напряжения катушки. При этом вся энергия, накопленная в катушке, расходуется за пределами цилиндра, следовательно, не приводит к поджиганию смеси.

Обрыв ВВ провода

В критических случаях обрыв высоковольтного провода может привести к полному прекращению искрообразования между электродами свечи зажигания. Продолжительная работа двигателя с неисправными ВВ проводами может привести к пробою высоковольтной изоляции элементов системы зажигания, выходу из строя катушки зажигания.

Отсутствие затухающих колебаний
При слабом проявлении либо отсутствии затухающих колебаний в конце фазы горения искры можно сделать вывод о неисправности конденсатора (для классической системы зажигания) или катушки зажигания. Индуктивность катушки и емкость конденсатора образуют колебательный контур. Скорость затухания колебаний зависит от добротности колебательного контура. Если есть пробой изоляции конденсатора, короткозамкнутые витки либо межвитковой пробой в катушке, то добротность контура значительно падает, что и приводит к отсутствию колебаний.

Неисправность катушки зажигания

Конденсатор присутствует только в классической системе зажигания. В системах, управляемых электроникой, конденсатор не применяется. В этих системах в качестве емкости колебательного контура выступает межвитковая емкость катушки.

Наличие пробоя межвитковой изоляции обмоток катушки зажигания, не сказывается на работе двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках, но приводит к неработоспособности катушки зажигания при работе двигателя под высокой нагрузкой и создает трудности при пуске двигателя.

Примечание!
Катушка зажигания с межвитковым пробоем генерирует ВВ импульсы, напоминающие по форме импульсы при загрязнении поверхности керамического изолятора свечи зажигания со стороны камеры сгорания или импульсы при пробое высоковольтной изоляции элемента системы зажигания вне камеры сгорания. Поэтому, в данном случае необходимо провести дополнительные проверки.