Поверхностный разряд в резконеоднородном электрическом поле

Рассмотренный выше поверхностный разряд в однородном поле встре­чается редко. Однако его исследование дало возможность сделать несколько ценных общих выводов о физических закономерностях поверхностного раз­ряда и влиянии ряда факторов на механизм этого процесса.

Используемые на практике электроизоляционные конструкции с типич­ным расположением электродов, показанным на рис. 5.13, образуют неодно­родные поля и представляют собой соответственно опорный (а) и проходной (б) изоляторы. Одним из основных требований, предъявляемых к этим кон­струкциям, — недопустимость возникновения поверхностного разряда. Раз­личие этих конструкций друг от друга заключается прежде всего в располо­жении поверхности раздела между твердым диэлектриком и воздухом относительно силовых линий поля. В опорном изоляторе (см. рис. 5.13, а) во всех точках поверхности твердого диэлектрика тангенциальная состав­ляющая Е, значительно преобладает над нормальной составляющей Е_я. В случае проходного изолятора (см. рис. 5.13, б), наоборот, Е„ у поверхности твердого диэлектрика больше Е,. Поэтому, как считает немецкий ученый М. Теплер, ионы под действием Е„ «прижимаются» к поверхности твердого диэлектрика и движутся вдоль нее с трением, вызывая местный нагрев по­верхности, создавая тем самым дополнительную ионизацию воздуха, кото­рая и облегчает разряд. Кроме того, канал разряда, развивающегося по по­верхности, имеет значительно большую емкость относительно другого (короткого) электрода и больший ток, чем у опорного изолятора, что суще­ственно влияет на разрядное напряжение. В конструкциях изоляторов, представленных на рис. 5.13, поле неоднородное. Особенно оно резконеод- нородное в случае проходного изолятора, поэтому у него U_p при прочих равных условиях ниже, чем у опорного изолятора.

В неоднородном поле процессы, вызванные пленкой влаги, адсорбированной на поверхности твердого диэлектрика, не могут существенно увеличить уже имеющуюся неоднородность электрического поля. Разрядное напряжение U_p в неоднородном поле как с твердым диэлектриком в воздушном промежутке ме­жду электродами, так и без него значительно ниже, чем в однородном поле, и тем ниже, чем больше неоднородность электрического поля.

Рис. 5.13. Типичные картины электрического поля в электроизоляционных конструк­циях (твердый диэлектрик — воздух) с неоднородными полями: а — во всех точках по­верхности твердого диэлектрика Е, > Е_п (опорный изолятор); б — во всех точках повер­хности твердого диэлектрика Е_п > E_t (проходной изолятор)

Е

Е,

В случае резконеоднородного электрического поля (см. рис. 5.13, б) вы­деляются следующие фазы развития поверхностного разряда: вначале на ко­ротком электроде (обычно он имеет вид фланца) возникает свечение в виде короны. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя прорыва­

ются неустойчивые искровые разряды в виде стримеров, длина которых быст­ро растет с увеличением напряжения. Затем появляются отдельные скользя­щие разряды, представляющие собой неполный поверхностный пробой. Завершается процесс полным поверхностным перекрытием.

Напряжение перекрытия U_p тем ниже, чем больше ток в канале разряда, т. е. выше проводимость этого канала. Величина тока, в свою очередь, опре­деляется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. Поэтому чем больше емкость канала разряда и, следовательно, больше в нем ток, тем ниже разрядное напряжение и длиннее скользящие разряды. В качестве величины, характеризующей емкость канала разряда, обычно используют удельную поверхностную емкость С_п диэлектрика, по по­верхности которого произошел поверхностный разряд.

Напряжение начала скользящих зарядов U_CK и напряжение полного пе­рекрытия U_p можно определить с помощью эмпирических формул, позво­ляющих приближенно оценить величину указанных напряжений.

Напряжение кВэф полного поверхностного разряда в переменном поле (50 Гц) при сравнительно малом значении нормальной составляющей на­пряженности электрического поля Е_п (опорный фарфоровый изолятор стан­дартной формы) можно определить по формулам:

U_p= 20 + 3,35/ при 10 < / < 200 см;

U_p = 7,3/ - 0,2/² при 0 < / < 10 см, (5.8)

где / — длина разрядного промежутка, см.

По М. Теплеру, при переменном напряжении (50 Гц) и наличии нор­мальной составляющей напряженности электрического поля Е_п скользящие заряды по поверхности плоского диэлектрика или полого цилиндра большо­го диаметра образуются при напряжении, кВ_эф:

1,36 _4

^UCK _ro,45 ' ^{К У}'

п

где С_п — удельная поверхностная емкость, Ф/см².

В зависимости от конфигурации твердого диэлектрика С_п рассчитывают по следующим формулам:

• для диэлектрика плоской формы

_Сп=М6₍₅₁₀₎

где в — диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика; h — толщина диэлектрика, см;

• для диэлектрика в виде полого цилиндра (проходной изолятор)

С 2-8,86-10-".в ^п 5 D \n(D/d) '

где d и D — внутренний и наружный диаметры полого цилиндрического изолятора, см; С — общая емкость образца (С= 2кг₀г1/ In(D/d)), Ф; S — площадь боковой поверхности, по которой распространяется разряд (S = kDI), см².

Загрязнение сухой поверхности изолятора мало влияет на его удельную поверхностную электропроводность и поэтому не оказывает существенного влияния на U_p. При мокрой поверхности изолятора (под дождем) разрядное напряжение при 50 Гц примерно вдвое ниже, чем при сухой. В еще большей степени Щ снижается при увлажнении поверхности изолятора, загрязнен­ной ионогенной примесью. Увлажнение слоя загрязнения, например росой или дождем, приводит к резкому увеличению удельной поверхностной элек­тропроводности в результате образования слабого раствора электролита из воды и ионогенной примеси. Механизм развития разряда при этом качест­венно меняется, а величина U_p значительно снижается. В зависимости от ха­рактера и интенсивности загрязнения мокроразрядные напряжения могут составлять 50—25 % от сухоразрядных.

Скользящие искровые разряды и особенно дуговой разряд, имея высо­кую температуру канала (несколько тысяч градусов), обжигают поверхность диэлектрика, оставляя на ней, после снятия напряжения, след — трек. Осо­бенно опасен такой разряд для органических диэлектриков. Трек имеет бо­лее высокую проводимость и поэтому вызывает резкое снижение U_p при по­вторной подаче напряжения даже в случае сухой поверхности твердого диэлектрика. Поэтому при выборе материала для изготовления изоляторов нужно учитывать его трекингостойкость, т. е. стойкость к действию скользя­щих разрядов.

Коронный разряд также повреждает поверхность твердого диэлектрика при длительном воздействии (окисление, разрушение). При этом могут кор­родировать и металлические части (электроды) электроизоляционных кон­струкций.

Пробой двухслойного диэлектрика

Если вектор Е направлен перпендикулярно поверхности раздела двух диэлектрических сред с е_ь у,, и е₂, Ъ (^см- Р^ис- 5.9, б), имеющих малые диэлектрические потери, то для переменного напряжения рас­пределение напряженности поля между этими диэлектрическими средами будет обусловлено значениями их е, и е₂. В этом случае в очень малых объемах по обе стороны поверхности раздела образуют­ся лишь нормальные составляющие: в среде с е, — Е,„ и в среде с е₂ - Е_2/7. Тангенциальные составляющие Е_1г и Е_2/ будут равны нулю. При этом имеет место равенство

Е_2п/Е_хп = г_х/г₂. (5.12)

Так как в данном случае нормальные составляющие Е_1я и Е_2л сов­падают соответственно с векторами Е, и Е₂ по направлению и равны им по величине, то уравнение (5.12) можно записать в следующем виде:

Е₂/Е_х = г_х/г₂. (5.13)

Из уравнения (5.13) следует, что чем больше диэлектрическая проницаемость е твердого диэлектрика, тем выше напряженность Е₂ поля в воздушной среде.

Поскольку U= U_x + U₂ = U_x [1 + (е,/г₂ / e₂h_x)}, a h = h_x + h₂, то, ис­пользуя формулу (5.13), получим величину напряженности электри­ческого поля Е₂ (В/м), для среды с е₂ (воздух) и Е_х для среды с е, (твердый диэлектрик):

E₂ =U ^ , Е_х =U ^ , (5.14)

z_xh₂ + г₂к_х e_xh₂ +e₂h_x

где U — приложенное напряжение, В; е, и е₂ — диэлектрическая про­ницаемость твердого диэлектрика и воздуха соответственно; h_x и h₂ — толщина твердого диэлектрика и прослойки воздуха соответст­венно, м.

При постоянном напряжении по истечении времени, достаточного для завершения поляризации, напряженность поля в каждой среде будет равна:

Е₂ =U ^ , Е_х =U ^ , ... (5.15)

y_xh₂+y₂h_x y_xh₂+y₂h_x

где у, и у₂ - удельная электропроводность твердого диэлектрика и воздуха соответственно, См/м.

Уравнения (5.14) и (5.15) взаимосвязаны, так как между значениями в и у (или р) имеется определенная зависимость (см. рис. 3.10).

В случае когда имеем бесконечно тонкую воздушную прослойку между электродом и твердым диэлектриком, т. е. когда А₂ ^ А_ь а А, « ~А, уравнение (5.14) упрощается, и Е₂ становится равным

Е₂=-^ = ЕХ (5.16)

А е₂ е₂

На практике наличие воздушной прослойки между поверхностью твердого диэлектрика и электродом оказывает большое влияние на t/_HOM и нормальный режим работы диэлектрической конструкции.

В качестве примера рассмотрим случай, когда между двумя плоско­параллельными электродами с закругленными краями находится двухслой­ный диэлектрик — фарфоровый цилиндр и воздушная прослойка, при этом поверхность раздела расположена перпендикулярно силовым линиям поля (см. рис. 5.9, б). Зададим следующие значения: напряжение, приложенное к электродам, U =40 кВ; расстояние между электродами h = 2 см; фарфор имеет 8j = 6 и воздух е₂ = 1. Найдем величину напряженности электрическо­го поля Е₂ воздушной прослойки для случаев, когда:

1. высота фарфорового цилиндра h_x = 1,5 см и соответственно толщина воздушной прослойки h₂ = 0,5 см;

2. толщина воздушной прослойки бесконечно мала h₂ ~ 0 и, следова­тельно, h_x ~ h.

Для первого случая в соответствии с (5.14) имеем Е_ъ кВ/см:

Е₂ = 40 = 53,3;

² 6 0,5 + 1 1,5

для второго случая, согласно (5.16) Е_ъ кВ/см, составляет

² 21

Напряженность однородного электрического поля Е₂, кВ/см, в межэлек­тродном пространстве в отсутствие фарфорового цилиндра равна

Е₂ = 40/2 = 20.

Из приведенного примера видно, что в последнем случае, когда фарфо­ровый цилиндр отсутствует в межэлектродном пространстве, электрических разрядов нет, и, следовательно, электроизоляционная конструкция работает в нормальном режиме. Объясняется это тем, что Е₂ = 20 кВ/см, т. е. меньше электрической прочности Е_пр воздуха (Е_пр воздуха равна 32 кВ/см). В первом и особенно во втором случаях поле в межэлектродном пространстве стано­вится резконеоднородным. В воздушных прослойках напряженность поля Е₂ становится существенно выше, чем Е_пр воздуха, поэтому возникают электри­ческие разряды и, следовательно, нарушается нормальный режим работы электроизоляционной конструкции. Образующиеся при электрических раз­рядах озон и окислы азота оказывают разрушающее действие на диэлектрик, особенно органический, а при длительном воздействии — на электроды и другие металлические детали, вызывая их коррозию.

Следует отметить, что воздушные прослойки (включения) очень опасны в высоковольтной изоляции конденсаторов, кабелей и дру­гих электротехнических конструкциях. В результате перераспределе­ния электрического поля между твердым диэлектриком и воздушны­ми включениями (порами) напряженность на включениях повысится и в них при сравнительно невысоком напряжении возникнут час­тичные электрические разряды, которые вызовут ускоренное старе­ние изоляции и тем самым снизят качество и надежность работы, а также срок службы электротехнической конструкции (см. 5.4.3). Поэтому число воздушных включений и особенно их размер должны быть сведены к минимуму.

Если силовые линии Е расположены не параллельно и не перпендикуляр­но поверхности раздела, а пересекают ее под любым углом (рис. 5.14), то от­меченные выше закономерности для Е_я и Е, сохраняются, и векторы напря­женности электрического поля на границе раздела двух диэлектрических сред

с в! и е₂ можно описать следующим уравнением:

tgOCj _

Ei

(5.17)

tgoc₂

где а_{ — угол между векторами Ej и Е_1я в диэлек­трической среде с Ej; а₂ — угол между векторами Е₂ и Е_2я в диэлектрической среде с е₂.

Это уравнение справедливо только в случае диэлектриков без потерь, не содержащих объем­ных зарядов.

Рис. 5.14. Общий вид век­торов напряженности элек­трического поля на грани­це двух диэлектрических сред

На основании изложенного можно за­ключить, что за пробой диэлектрика ответ­ственна нормальная составляющая вектора напряженности электрического поля Е_л, а за поверхностный разряд — тангенциальная составляющая Е,.