1.14. Розряд в повітрі уздовж поверхні ізоляційних конструкцій

Розглянемо вплив твердого діелектрика на виникнення і розвиток розряду в повітрі уздовж поверхні ізолятора. У конструкції рис. 1.19, а силові лінії електричного поля паралельні поверхні діелектрика і поле однорідно. У конструкції рис. 1.19, би поле неоднорідна і тангенціальна складова напруженості поля на поверхні діелектрика Е переважає над нормальною складовою En. У конструкції рис. 1.19, в полі також неоднорідний, 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 конструкції зустрічаються часто (опорні і прохідні ізолятори)

Рис. 1.19. Характерні конструкції повітряних проміжків з твердим діелектриком

У ізоляційній конструкції рис. 17, 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 усіх тіл у вологому повітрі покрита щонайтоншою плівкою води. Іони, що утворюються в цій плівці під дією електричного нуля, переміщаються до електродів. В результаті цього поле поблизу електродів посилюється, а в середині проміжку ослабляється. Посилення поля у електродів призводить до зниження електричної міцності проміжку. Це зниження тим більше, чим гигроскопичнее діелектрик.

Наприклад, скло є більш гігроскопічним матеріалом, ніж глазурований фарфор, тому напруга перекриття уздовж поверхні скла нижча, ніж уздовж фарфору.

Зменшення напруги перекриття ізолятора за наявності мікропроміжку між діелектриком і електродом або мікротріщини на поверхні діелектрика зв'язно із збільшенням в них напруженості поля внаслідок відмінності діелектричної проникності повітря і твердого діелектрика (діелектрична проникність твердого діелектрика в 3-4 рази більша, ніж повітря), збільшення напруженості поля до мікропроміжках призводить до виникнення там іонізаційних процесів, продукти яких (іони і електрони), потрапляючи в основний проміжок, створюють місцеве посилення поля, що призводить до зменшення напруги перекриття.

Для збільшення розрядної напруги проміжку з твердим діелектриком прагнуть використовувати малогігроскопічні діелектрики або створити покриття з малогігроскопічних матеріалів, що захищають діелектрик від контакту з парами води (наприклад, глазуровка поверхні фарфору), а також забезпечити надійне, без мікро- проміжків, сполучення тіла ізолятора з металевою арматурою, використовуючи цементні закладення і еластичні прокладення, що проводять.

В изоляционной конструкции на рис. 1.19, б поле неоднородное, следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, разрядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же. как и в конструкции на рис. 1.19, а, но оно слабее выражено, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, возникает коронный разряд. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на твердый диэлектрик. Наибольшую опасность коронный разряд представляет для полимерной изоляции, особенно если он имеет стримерную форму. Температура в канале 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.

Усе сказане справедливе і для конструкції на рис. 1.19, ст. Велика нормальна складова електричного поля сприяє зближенню каналу стримера з поверхнею діелектрика, що підвищена вірогідність ушкодження діелектрика. Електрична міцність цієї конструкції ще менша, ніж конструкції на рис. 1.19, б. Канали стримерів, що розвиваються уздовж поверхні діелектрика, мають значно велику місткість по відношенню до внутрішнього (протилежному) електроду, чим в конструкції з переважанням тангенціальної складової нуля. Тому через стримерні канали проходить порівняно великий струм. При певному значенні напруги струм зростає настільки, що температура стримерних каналів стає достатньою для термічної іонізації. Термічно іонізований канал розряду, що розвивається уздовж діелектрика, на поверхні якого нормальна складова напруженості поля перевищує тангенціальну складову, називають каналом ковзаючого розряду.

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

Длина каналу скользящего розряду залежить від його провідності, а відповідно, від значення току в ньому. В свою чергу, ток залежить від напруги між електродами, зміни напруги та ємністі канала стримера відносно протилежного електрода. Вплив цих параметрів відображено в эмпіричній формуле Теплера, згідно з якою длина канала скользящего розряду:

(1.36)

де:

^{—коефіцієнт, определяемый опытным путем;}

З - питома поверхнева місткість (місткість поверхні діелектрика, по якій розвивається розряд, відносно протилежного електроду;

U - прикладена напруга.

З (1.36) при підстановці замість lск відстані між електродами по поверхні діелектрика L, можна визначити значення напруги Uр, необхідної для перекриття ізолятора. Якщо ж прийняти де d - товщина діелектрика, а площа S прийнята рівною 1 см² і вважати значення постійним, що в першому наближенні відповідає постійності частоти прикладеної напруги, з (1.36) отримаємо вираження для знаходження розрядної напруги :

, (1.37)

яке називається формула Теплера

З (1.37) витікає, що зростання довжини ізолятора дає відносно мале підвищення розрядної напруги. Тому для збільшення розрядної напруги прохідних ізоляторів зменшують питому поверхневу місткість шляхом збільшення діаметру ізолятора у фланця, з якого можна чекати розвитку розряду. Використовується також нанесення у фланця покриття, що напівпроводить, що сприяє вирівнюванню розподілу напруги по поверхні ізолятора і, отже, призводить до збільшення розрядної напруги.

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