Методы определения начала ионизации (частичных разрядов) в изоляции

Под действием высокой напряженности электрического поля в изоляции в местах пониженной электрической прочности возникают частичные разряды, которые представляют собой ионизацию и пробой газовых включений, локальные пробои малых объемов твердого или жидкого диэлектрика, местные разряды по поверхности твердого диэлектрика. Они, как правило, не приводят к сквозному пробою изоляции, однако вызывают местное разрушение диэлектрика (особенно органического) и при длительном существовании в определенных условиях могут привести к нарушению электрической прочности изоляционной и кабельной конструкции.

Поскольку техника измерения частичных разрядов тесно связана с определением характеристик разрядов в газовых включениях в твердой или жидкой изоляции, понятие ЧР используется часто применительно именно к этому случаю.

Например, ионизация газовых включений в кабелях с бумажной пропитанной изоляцией, где газовые включения в первую очередь образуются между краями смежных витков бумажных лент.

Или, в кабелях с пластмассовой изоляцией, наложенной на шприц-прессах, вследствие случайных дефектов производства или несовершенства технологии возможно образование отдельных весьма малых газовых включений на большом расстоянии друг от друга. Пластмассовая изоляция причем, в частности полиэтилен, значительно более подвержена разрушению под действием ионизации, чем пропитанная бумага.

В связи с этим необходимо устанавливать, при каком напряжении может возникнуть ионизация.

Если напряженность поля в газовом включении превысит предел, при котором возникает ионизация, то возникает очень быстрый импульс тока (10^-8 с), который обусловливается накоплением поверхностных зарядов на стенках включения. При этом на электродах появляется дополнительный заряд ΔQ_x за счет незначительного изменения емкости образца (см. рисунок).

(1)

(2)

Величина ΔQ_x получила название «кажущейся интенсивности ионизации». При переменном напряжении импульсы разрядов повторяются с частотой n = 2f или более. Произведение n· ΔQ_x = I_x характеризует среднюю интенсивность ионизации. Если отнести I_x к единице площади электродов образца – это будет плотность тока (j_ср), то зависимость j_ср от напряжения будет ионизационной характеристикой образца. На рис. представлена такая характеристика для бумажно-масляной изоляции.

Ионизационные процессы можно подразделить на интенсивные и неинтенсивные.

Неинтенсивная ионизация характеризуется тем, что на протяжении нескольких десятков минут она то появляется, то исчезает, то появляется вновь, т.е. является неустойчивой. Такие ионизационные процессы не приводят к разрушению изоляции при кратковременном воздействии и к снижению напряжения ионизации при повторном подъеме его.

Интенсивные ионизационные процессы, развивающиеся при более высоком напряжении, чем первые, являются устойчивыми. Они могут сопровождаться разрушением изоляции и ведут к снижению напряжения ионизации. Напряжение, требуемое для поддержания ионизации становится ниже начального.

Если длительно допустить устойчивую ионизацию, то она вызывает необратимые изменения в изоляции (разложение пропитки, образование воска, расплавление полиэтилена) и, в конце концов, приводит к пробою.

В соответствие с этим различают напряженность электрического поля начальной (неустойчивой) Е_нач и напряженность поля критической (устойчивой) Е_крит ионизации. На рис. (см. выше) область 1 соответствует неустойчивой ионизации, а область 2 – устойчивой, когда ионизация начинает резко нарастать.

При наличии ионизации зависимость напряженности электрического поля, при которой происходит пробой, от времени выдержки t может быть выражена в виде уравнения

. (3)

Здесь Е_пр – электрическая прочность при быстром подъеме напряжения, n – постоянный коэффициент, характеризующий ионизационную стойкость материала (он определяется из экспериментально полученной зависимости (3)).