4. Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого изолятора

4.1. Влияние конструктивных особенностей изоляторов на напряжение перекрытия.

Внешние твердые диэлектрики в воздушном промежутке может существенно изменять условия и даже механизм развития разряда. При этом величина разрядного напряжения, как правило, снижается и зависит уже не только от плотности воздуха и формы электрического поля, но еще и от свойств твердого диэлектрика, состояния его поверхности и расположения ее относительно силовых линий поля.

Для изучения общих закономерностей развития разряда вдоль поверхности диэлектрика, необходимые для рационального конструирования изоляторов, используют простейшие изоляционные конструкции с однородным и резконеоднородным полями и с разными положением и состоянием поверхности твердых диэлектриков. Так важнейшие особенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций показанных на рис.1 (а - б).

Р ис.1. Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком.

Первая из них – с однородным электрическим полем редко встречается в реальных условиях, однако удобна для улучшения влияния ряда факторов на разрядное напряжение.

Конструкции с резконеоднородными полями рис 1 (б,в) представляют собой соответственно простейшие опорный и проходной изоляторы и встречаются в других изоляционных конструкциях. Они различаются, прежде всего, расположением поверхности относительно силовых линий поля. В конструкции б, во всех точках поверхности тангенциальная составляющая напряженности направленная вдоль поверхности, преобладает над нормальной составляющей. В конструкции в наоборот, нормальная составляющая Е у поверхности диэлектрика больше тангенциальной.

Специфический механизм развития разряда – вдоль смоченной дождем или загрязненной и увлажненной поверхности изолятора удобно изучать на конструкции б с гладкой или сложной поверхностью твердого диэлектрика.

При сравнении электрической прочности изолятора оказывается, что разрядные напряжения находятся в следующем соотношении:

U_O  U_A  U_Б  U_B,

где U_O – разрядное напряжение чисто воздушного изолятора.

В конструкции а электрическая прочность промежутка с диэлектриком меньше, чем чисто воздушного промежутка, хотя поле однородное и силовые линии параллельны поверхности диэлектрика.

Такое распределение разрядных напряжений связаны с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом.

Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется (рис. 2.).

Рис.2. Распределение напряжения вдоль поверхности стекла при напряжении, близком к разрядному (промежуток типа а, рис.1).

Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка.

Это снижение тем более, чем гигроскопичнее диэлектрик. Например, стекло более гигроскопично, чем глазурированный фарфор, поэтому напряжение перекрытия у него ниже.

Микрозазоры и трещины увеличивают напряженность поля на отдельных участках, что приводит к уменьшению напряжения перекрытия (рис.3).

Для увеличения разрядного напряжения требуется применять менее гидроскопичные материалы или создавать покрытия из малогигроскопичных материалов (например, глазуровка фарфора) и не допускать микрозазоров между диэлектриком и электродом, а также микротрещин, которые способствуют увеличению электрического поля в этих местах.

В изоляции конструкции б, рис.1 поле неоднородное, следовательно, как и для чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности и микрозазоров здесь качественно такое же, что и в конструкции а, но оно выражено слабее, так как поле и без того сильно неоднородно. При достаточно большой неоднородности электрического поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд.

Возникновение коронного разряда способствует образованию озона и окислов азота, которые воздействуют на твердый диэлектрик.

Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму, т.е. в виде узкого канала. Температура в начале стримера достаточно высока и соприкосновение его с поверхностью диэлектрика может приводить к термическому разложению диэлектрика и образованию обугленного следа с повышенной проводимостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Все сказанное справедливо и для конструкции в (рис. 1).

Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность конструкции в (рис.1) наименьшая. Каналы стримеров, развивающиеся вдоль поверхности

Рис. 3. Зависимость разрядного напряжения по поверхности образцов от расстояния между электродами для конструкции а):

1 –чисто воздушный промежуток;

2 – фарфор;

3 – стекло;

4 – фарфор и стекло при неполном прижатии электродов к диэлектрику.

диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду (рис.1, в), чем в конструкции с преобладанием Е_t (рис.1, б).

Ток проходящий через стримерные каналы в конструкции в, при определенном значении может быть достаточен для начала термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль поверхности диэлектрика, на которой Е_n>>Е_t, называют каналом скользящего разряда.

Длина канала скользящего разряда определяется по эмпирической формуле Теплера

, (1)

где x₁ - коэффициент определяемый опытным путем;

С - удельная поверхностная емкость, т.е. емкость единицы поверхности диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода.

Удельная поверхностная емкость

Из этой формулы можно определить значение разрядного напряжения U_p, необходимого для перекрытия изолятора. Подставляя вместо l_ск расстояние между электодами L и приняв du/dt = const, что в первом приближении равносильно постоянству частоты получим

, (2)

где L-расстояние между электродами по поверхности диэлектрика;

d-толщина диэлектрика.

Формула (2) показывает, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора d у фланца с которого можно ожидать развитие разряда или наносят полупроводниковое покрытие, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности и, соответственно, увеличению разрядных напряжений.

При постоянном напряжении удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного напряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.