25. Частичные разряды в твёрдом диэлектрике. Интенсивность. Кажущийся заряд.

Частичные разряды – это маломасштабные разрядные явления, происходящие в дефектах твердотельной изоляции (поры, каверны, микронеровности), на поверхности твёрдого диэлектрика, неплотно соприкасающихся с электродами. Проявления коронного разряда в изоляционных конструкциях также можно отнести к частичным разрядам. Указанные дефекты всегда в том или ином количестве присутствуют в изоляционных конструкциях. Поэтому частичные разряды присутствуют в течение всего срока эксплуатации изоляции.

Частичные разряды вызывают необратимые изменения диэлектрика в местах их существования вследствие воздействия на него плазмы разряда и вызывающего химическое разложение последнего. Таким образом, частичные разряды являются основным механизмом старения изоляционной конструкции. Начальное и текущее состояние изоляционной конструкции, таким образом, можно оценивать по уровню и интенсивности частичных разрядов, которые как начальные (новая изоляционная конструкция) и критические (состояние близкое к выходу из строя или пробою изоляции). Между указанными состояниями лежит уровень и интенсивности частичных разрядов, отвечающим нормальным эксплуатационным условиям.

Рис. Схема замещения твёрдого диэлектрика с дефектом:

С₀–ёмкость бездефектной изоляции,

С_в‒ёмкость газового включения,

С_д–ёмкость диэлектриков последовательно с включением,

U_в–напряжение пробоя воздушного включения.

Рассмотрим модель единичного частичного разряда, происходящего в уединённой поре в толще диэлектрика, показанную на рисунке. Электрическую схему замещения диэлектрика в области дефекта можно представить в виде параллельного соединения ёмкости основного диэлектрика и части диэлектрика, содержащего дефект. При этом диэлектрик в области дефекта замещается последовательным соединением ёмкости дефекта и пропорциональной по площади повреждённого участка ёмкости диэлектрика. Поскольку пора дефекта содержит газ, а не твёрдый диэлектрик то электрическая прочность поры ослаблена и при достижении в ней достаточного напряжения в поре происходит электрический пробой. Обычно напряжения пробоя поры составляет несколько сотен вольт. Ситуация пробоя моделируется разрядником, включённым параллельно ёмкости, эквивалентирующей дефект. Отметим, что напряжённость в области поры выше, чем в среднем по диэлектрику, так как диэлектрическая проницаемость газа в несколько раз ниже, чем у твёрдого диэлектрика следствие непрерывности вектора электрического смещения:

Е_в - напряжённость поля воздушной полости,

Е_д - напряжённость поля твёрдого диэлектрика,

ε_в – относительная диэлектрическая проницаемость воздушной полости,

ε_д – относительная диэлектрическая проницаемость твёрдого диэлектрика.

Формула эквивалентной ёмкости С_э:

Формула эквивалентной ёмкости С_э диэлектрика содержит ёмкость включения (поры) С_в, которая изменяется от некоторого конечного значения до бесконечности в момент пробоя включения. Поэтому скачкообразное изменение претерпевает и полная эквивалентная ёмкость от С_э:

При практических измерениях это приводит к скачкообразным изменениям напряжения, на диэлектрике. Считая геометрическую ёмкость диэлектрика постоянной отмеченный скачок напряжения можно представить скачкообразным изменением заряда при постоянной ёмкости диэлектрика. Данный заряд называют кажущимся зарядом и его величина принята в качестве меры состояния диэлектрика. Величина кажущегося заряда нормируется и ограничена сверху для выпускаемых промышленностью высоковольтных изоляционных конструкций различного назначения. Поскольку C_в >> С_д, то, как следует из последней формулы, скачки емкости весьма малы по величине. Поэтому кажущийся заряд

где ΔU_x–наблюдаемый скачок напряжения на изоляции. Кажущийся заряд является весьма малой величиной, порядок которой составляет несколько пКл. Комбинируя два последних соотношения, нетрудно связать реальный физический заряд q, нейтрализуемый при разряде во включении c кажущимся:

Рис. Частичные разряды при воздействии напряжения промышленной частоты

Частичные разряды при переменном напряжении

Развитие частичных разрядов во времени существенно различается в случае приложения переменного и постоянного напряжения. Вначале рассмотрим частичные разряды в диэлектрике при воздействии напряжения промышленной частоты. Будем характеризовать дефект напряжением зажигания разряда U_вз и напряжением, при котором разряд гаснет U_вп. При этом напряжение зажигания несколько выше напряжения погасания U_вп(0,7-0,9)U_вз. Напряжение на не пробитом включении растёт, изменяясь по синусоидальному закон и в момент пробоя практически скачком (постоянная времени разряда много меньше ¼ периода промышленной частоты, вследствие весьма малой ёмкости включения) убывает до напряжения погасания. После чего начинается новый подъем напряжения на включении пропорционально напряжению, приложенному к диэлектрику. Количество таких подъёмов и пробоев, в среднем приходящееся на единицу времени, определяет интенсивность частичных разрядов

В приведённой формуле подсчитано число частичных разрядов на включении за полупериод напряжения промышленной частоты. Формула получена как отношение полного изменения напряжения на включении за полупериод к величине скачка напряжения при разряде в дефекте. Нетрудно получить выражения для энергии W_чр, рассеиваемой в одном частичном разряде через величину ёмкости включения и напряжения зажигания и погасания.

Разделив эту величину на интенсивность разрядов n_T/2, получим мощность, рассеиваемую на одном включении

Из полученной формулы следует зависимость рассеиваемой мощности, которую в некотором приближении можно считать пропорциональной частоте и величине приложенного напряжения P_чр~fU.

Частичные разряды при постоянном напряжении

Временной интервал между последовательными ч.р. составляет секунды – десятки секунд, так как время восстановления напряжения после ч.р. при постоянном внешнем напряжении определяется электропроводностью диэлектрика, которая крайне низка. Отсюда следует: интенсивность ч.р. при

постоянном напряжении на несколько порядков ниже, и значит, допустимы более высокие рабочие напряжённости электрического поля.

Частичные разряды при импульсном напряжении

Принципиально не отличаются от ч. р. на переменном напряжении. При каждом приложении импульса напряжения, например при перенапряжениях в сетях ВН, возникают вспышки ч. р. В результате многократного воздействия импульсных перенапряжений возникает кумулятивный эффект накопление повреждений и пробой изоляции.

Разрушающее воздействие частичных разрядов на диэлектрики:

1) Воздействие ударных волн;

2) Тепловое воздействие;

3) Бомбардировка заряженными частицами;

4) Воздействие химически активными продуктами разряда (озон, окислы азота);

5) Воздействие излучения;

6) Развитие древовидных побегов дендритов.