Wyładowanie elektryczne, czyli przeskok ładunku elektrycznego (elektronów) z elektrody o wysokim potencjale do elementu o potencjale niskim. Warunkiem rozwoju wyładowania jest przekroczenie granicznej wytrzymałości elektrycznej w danym ośrodku izolacyjnym (gaz, ciecz). W momencie gdy elektrony wychodzące z elektrody połączą się z elektrodą uziemioną następuje silny rozbłysk oraz towarzyszący mu charakterystyczny dźwięk. Ten moment przeskoku jest łatwo zauważalny poprzez zjawiska jakie zachodzą w trakcie jego trwania, jednak czy jest możliwa obserwacja procesu rozwoju wyładowania przed przebiciem? W momencie rozwoju wyładowania oddziaływujące silne pole elektryczne pobudza cząsteczki powietrza (min. azot, tlen) w chwili w której cząsteczki są już dostatecznie zjonizowane następuje emisja promieniowania elektromagnetycznego (przykładowe widmo promieniowania cząsteczki azotu i tlenu przedstawiono  na rys. 1), w chwili przeskoku energia cząstek jest tak duża iż wydaje się że światło wydobywające się z kanału wyładowania jest białe wchodzące w odcień niebieskiego. Ten niebieski odcień oznacza również powstawanie promieniowania ultrafioletowego (o długości fali mniejszej iż 400 nm). Obserwacja tego obszaru fal elektromagnetycznych umożliwia rejestracje procesów przedwyładowaniowych.

Rys.1 : (a) Spektrum emisji promieniowania zjonizowanej cząsteczki azotu b) spektrum emisji promieniowania zjonizowanej cząsteczki tlenu. Skala osi x: długość fali w nm. Źródło: https://www.itp.uni-hannover.de/fileadmin/arbeitsgruppen/zawischa/static_html/atoms.html

Palący się łuk elektryczny po doprowadzeniu do zwarcia między elektrodami będzie emitował promieniowanie widzialne do momentu aż napięcie podtrzymujące palenie się łuku nie spadnie poniżej wartości dla której energia zgromadzona w łuku pozwoli samoczynnie się mu wygasić. Jednak sam rozwój wyładowania doprowadzający do zwarcia między elektrodami może trwać kilka do kilkunastu mikrosekund rejestracja obrazu dla tak krótkich migawek wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu w postaci kamer ultra wysokich prędkości rejestracji dodatkowo wyposażone we wzmacniacze obrazu umożliwiające wychwycenie ruchu pojedynczych fotonów. Na rynku dostępny jest szereg rozwiązań różnych producentów oferujących przeważnie kamery o prędkościach do kilkudziesięciu tysięcy klatek na sekundę, niestety minusem stosowania takich kamer jest niska jakość dla wysokich prędkości oraz spadek czułości ekspozycji matrycy rejestrującej obraz. W celu sprawdzenia możliwości rejestracji tak wyszukanego zdarzenia jakim jest rozwój wyładowania wykorzystano kamerę firmy INVISIBLE VISION model Ultra UHSi 12/24. Kamera ta posiada możliwość rejestracji obrazów przy prędkościach do 200 milionów klatek na sekundę to rejestracja jednej klatki co 5 ns, światło w tym czasie przebywa drogę 1.5 m. Rozdzielczość obrazu niezależnie od prędkości akwizycji klatek może maksymalnie wynosić 1000×860 px poziom ten jest wystarczający do analizy uzyskanego obrazu. Jednym z minusów stosowania takiej kamery jest ograniczona długość rejestracji wynosząca 12 klatek oraz niedoskonałości związane z konstrukcją elektronicznej migawki. Pomimo małej liczby klatek poprawne ustawienie kamery umożliwia całkowitą obserwację procesu rozwoju wyładowania. Kamera ta była również doposażona we wzmacniacz obrazu PiV model 16-40MiV  oraz filtr wycinający światło widzialne i przepuszczający promienie UV. Układem testowym do obserwacji zjawisk przed przebiciowych był układ ostrze-uziemiona płyta, czyli układ elektrod o największym współczynniku nierównomierności pola w którym pojawiają się silnie zjonizowane cząsteczki gazu. Eksperyment przeprowadzono w Laboratorium Nowych Technologii w Elektroenergetyce na Wydziale Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Inżynierii Biomedycznej na AGH. Na rysunku 2 przedstawiono widok stanowiska laboratoryjnego. Zasilanie układu stanowił generator napięć udarowych GUN400 produkcji firmy Haefely. Generator ten umożliwia wytwarzanie napięć udarowych piorunowych i łączeniowych o wartości maksymalnej do 400 kV. Wyprowadzenie wysokonapięciowe generatora zostało doprowadzone do ostrza (prawa elektroda rys. 2) a uziemienie zostało połączone z płytą (lewa elektroda rys. 2).

Rys. 2. Widok ogólny stanowiska, widoczne na pierwszym planie układ elektrod ostrze-płyta, w tle kamera w mniejszej klatce Faradaya zapobiegającej zakłóceniom

Przykładowa rejestracja jednej klatki tuż przed momentem wyładowania widoczna jest na rysunku 3, dodatkowo w celu lepszej analizy mechanizmu rozwoju wyładowania zostały zaznaczone umiejscowienia elektrod, ostrzonej oraz uziemionej płyty.

Rys 3 Przykładowy obraz zarejestrowany kamerą przed wyładowaniem zupełnym, ustawione napięcie 190 kV, polaryzacja dodatnia,

Rozwój wyładowania (rys. 3) przypomina strukturę drzewiastą o zauważalnym silnym głównym kanale wyładowania oraz dodatkowych wyładowaniach koronowych rozchodzących się na wszystkie strony.  Przykładowa rejestracja poklatkowej sekwencji wyładowania widoczna jest na rysunku 4. Kamera została ustawiona w tryb akwizycji 12 klatek, każda została zarejestrowana co 50 ns dając prędkość rejestracji na poziomie 20 milionów klatek na sekundę. Czas ekspozycji matrycy został również ustawiony na 50 ns.

Rys. 4 Rozwój wyładowania wraz z zarejestrowaniem początku wyładowania zupełnego, prędkość filmowania 20 M klatek/s, czas ekspozycji 50 ns, U = +300 kV

Analiza wyników zaprezentowanych na poszczególnych klatkach pokazuje występowanie różnych form wyładowania w trakcie jego rozwoju. Wyładowanie widoczne jako snopienie zaczyna się dopiero od klatki 5, na 2 wcześniejszych klatkach widoczne są słabe wyrzuty wyładowań koronowych wokół których zaczynają się formować wyładowania streamerowe.  Widać że prędkość rozwoju wyładowania nie jest stała, przyrost liczby streamerów wzrasta wraz z rozwojem wyładowania. Widać również że do samego końca nie można wyróżnić drogi którą wybierze główny kanał wyładowania tak aby połączyć się z elektrodą uziemioną i doprowadzić do wyładowania zupełnego. Poniżej prezentowana jest sekwencja poklatkowa rozwoju wyładowania.

Rys. 5 Sekwencja po klatkowa wyładowania wraz z zarejestrowaniem początku wyładowania zupełnego (ostatnia klatka), prędkość filmowania 20 M klatek/s, czas ekspozycji 50 ns, U = +300 kV

Rejestracja zjawisk zachodzących w trakcie wyładowań jest rzeczą istotną do pełnego zrozumienia problematyki mechanizmów fizykalnych towarzyszących temu zjawisku. Ze względu na specyfikę zjawiska związaną z krótkimi czasami trwania procesu rozwoju oraz początkowymi niskoenergetycznymi procesami niezbędne jest skorzystanie z najnowszych dostępnych technologii rejestracji obrazu.

W celu dokładniejszego zgłębienia tematu rozwoju i obserwacji wyładowania w gazach i cieczach zapraszamy do zapoznania się z poniższymi artykułami:

L. Niemeyer, L. Ullrich and N. Wiegart, “The mechanism of leader breakdown in electronegative gases,” in IEEE  Transactions on Electrical Insulation, vol. 24, no. 2, pp. 309-324, April 1989. doi: 10.1109/14.90289

Paweł Rózga : Wyładowania elektryczne w układzie elektrod ostrze-izolowana płyta w wybranych cieczach dielektrycznych przy wysokim napięciu udarowym piorunowym http://pe.org.pl/abstract_pl.php?nid=10135

Pawel Rozga, Streamer Propagation and Breakdown in a Very Small Point-Insulating Plate Gap in Mineral Oil and Ester Liquids at Positive Lightning Impulse Voltage https://www.mdpi.com/1996-1073/9/6/467

Maciej Kuniewski , Paweł Zydroń , Wojciech Konieczny , Mark Riches, Zastosowanie bardzo szybkiej kamery UV dla obserwacji rozwoju wyładowań elektrycznych w układzie elektrod ostrze-płaszczyzna http://pe.org.pl/abstract_pl.php?nid=11293