21. Розряд в повітрі по поверхні ізоляторів

Розглянемо вплив твердого діелектрика на виникнення і розвиток розряду в повітрі вздовж поверхні ізолятора. В конструкції рис. 1.19, а силові лінії електричного поля паралельні поверхні діелектрика і поле однорідне. В конструкції рис. 1.19, б поле неоднорідне і тангенціальна складова напруженості поля на поверхні діелектрика переважає над нормальною складовою . В конструкції рис. 1.19, в поле також неоднорідне, але переважає нормальна складова. Перша конструкція порівняно рідко зустрічається в реальних умовах, але зручна при виявленні впливу характеристик діелектрика на виникнення розряду, друга і третя конструкція зустрічається часто (опорні та прохідні ізолятори).

В ізоляційній конструкції рис. 1.19, а електрична міцність проміжку з діелектриком менша, ніж чисто повітряного проміжку. Це пов’язано з адсорбцією вологи з навколишнього повітря на поверхні діелектрика, а також з мікропроміжками між твердим діелектриком і електродом. Поверхня всіх тіл у вологому повітрі покрита надтонкою плівкою води. Йони, що утворюються в цій плівці під дією електричного поля, переміщуються до електродів. У результаті цього поле поблизу електродів підсилюється, а в середині проміжку послаблюється. Підсилення поля біля електродів призводить до зниження електричної міцності проміжку. Це зниження тим більше, чим гігроскопічніший діелектрик.

Рисунок 1.19 – Характерні конструкції повітряних проміжків з твердим діелектриком

Наприклад, скло є більш гігроскопічним матеріалом, ніж глазурована порцеляна, тому напруга перекриття вздовж поверхні скла є нижчою, ніж вздовж порцеляни.

Зменшення напруги перекриття ізолятора за наявності мікропроміжку між діелектриком і електродом чи мікротріщини на поверхні діелектрика пов’язано зі збільшенням в них напруженості поля внаслідок неоднаковості діелектричних проникностей повітря і твердого діелектрика (діелектрична проникність твердого діелектрика в 3-4 рази більша, ніж повітря), збільшення напруженості поля в мікропроміжках призводить до виникнення там йонізаційних процесів, продукти котрих (йони і електрони), потрапляючи в основний проміжок, створюють місцеве підсилення поля, що призводить до зменшення напруги перекриття.

Для збільшення розрядної напруги проміжку з твердим діелектриком намагаються використовувати малогігроскопічні діелектрики, створювати покриття з малогігроскопічних матеріалів, які захищатимуть діелектрик від контактів з водяною парою (наприклад, глазурування поверхні порцеляни), а також забезпечити надійне, без мікропроміжків, сполучення тіла ізолятора з металічною арматурою, використовуючи замазування цементом та еластичні провідні щільниці.

В ізоляційній конструкції на рис 1.19, б поле неоднорідне, отже, як і у випадку з чисто повітряним проміжком, розрядна напруга менша, ніж в однорідному полі. Вплив гігроскопічності діелектрика та мікропроміжків тут якісно таке ж, як і в конструкції на рис. 1.19, а, але воно слабкіше виражено, оскільки електричне поле і без цього суттєво неоднорідне. За достатньо великої неоднорідності поля в цій ізоляційній конструкції, як і в чисто повітряному проміжку, виникає коронний розряд. Утвірний при цьому озон і окисли азоту діють на твердий діелектрик. Найбільшу небезпеку коронний розряд представляє для полімерної ізоляції, особливо коли він має стримерну форму. Температура в каналі стримера достатньо висока, і дотик його з поверхнею діелектрика може призвести до термічного розкладу діелектрика й утворення обвугленого сліду з підвищеною провідністю. Довжина цього сліду (треку) з часом зростає, що приводить до перекриття ізолятора з невідновною втратою ним електричної міцності.

Все сказане справедливе і для конструкції на рис. 1.19, в. Велика нормальна складова електричного поля сприяє зближенню каналу стримера з поверхнею діелектрика, що підвищує ймовірність пошкодження діелектрика. Електрична міцність цієї конструкції ще менша, ніж конструкції на рис. 1.19, б. Канали стримерів, що розвиваються вздовж поверхні діелектрика, мають значно більшу ємність по відношенню до внутрішнього (протилежного) електрода, ніж в конструкції з переважанням тангенціальної складової поля. Тому через стримерні канали проходить порівняно великий струм. При певному значенні напруги струм зростає настільки, що температура стримерних каналів стає достатньою для термічної йонізації. Термічно йонізований канал розряду, що розвивається вздовж діелектрика, на поверхні котрого нормальна складова напруженості поля перевищує тангенціальну складову, називають каналом ковзаючого розряду.

Провідність каналу ковзаючого значно більша провідності каналу стримера. Тому падіння напруги в каналі ковзаючого розряду менше, а неперекритої частини проміжку більше, ніж в каналах стримера. Збільшення напруги на неперекритій частині проміжку призводить до видовження каналу ковзаючого розряду і повного перекриття проміжку при меншому значенні напруги між електродами.

Довжина каналу ковзаючого розряду залежить від його провідності, а отже, від значення струму в ньому. В свою чергу струм залежить від напруги між електродами, зміни напруги і ємності каналу стримера відносно протилежного електрода. Вплив цих параметрів відображено в емпіричній формулі Теплера, згідно з якою довжина каналу ковзаючого розряду:

41141\* MERGEFORMAT (.)

де - коефіцієнт, що визначається дослідним шляхом; - питома поверхнева ємність (ємність поверхні діелектрика, по котрій розвивається розряд, відносно протилежного електрода); - прикладена напруга.

З 141 при підстановці замість відстані між електродами по поверхні діелектрика , можна визначити значення напруги , необхідної для перекриття ізолятора. Якщо ж прийняти , де - товщина діелектрика, а площ прийнята рівною 1 см² і рахувати значення постійним, що в першому наближенні відповідає постійності частоти прикладеної напруги, з 141 отримаємо вираз для знаходження розрядної напруги:

42142\* MERGEFORMAT (.)

який називається формулою Теплера.

З 142 випливає, що зростання довжини ізолятора дає відносно мале підвищення розрядної напруги. Тому для збільшення розрядних напруг прохідних ізоляторів зменшують питому поверхневу ємність шляхом збільшення діаметра ізолятора біля фланця, з котрого можна чекати розвиток розряду. Використовується також нанесення біля фланця напівпровідного покриття, що сприяє вирівнюванню розподілення напруги по поверхні ізолятора і, як наслідок, призводить до збільшення розрядних напруг.

При постійній напрузі питома поверхнева ємність практично не впливає на розвиток розряду і значення розрядної напруги виявляється близьким до розрядної напруги чистого повітряного проміжку.