1.10. Бар'єрний ефект

Істотний вплив об'ємного заряду на розвиток розряду в проміжку з резконеравномерным полем використовується на практиці для збільшення розрядної напруги ізоляційних проміжків. Це збільшення досягається приміщенням в проміжок бар'єрів з твердого діелектрика (електрокартон, гетинакс та ін.). При позитивному вістря позитивні іони осідають на бар'єр і розтікаються по його поверхні тим равномернее, чим далі від вістря розташований бар'єр. Це призводить до більш рівномірного розподілу напруженості в проміжку між бар'єром і площиною (рис. 1.12, а) і, отже, до значного збільшення розрядної напруги.

При негативній полярності стержня електрони, рухаючись від вістря, потрапляють на бар'єр, втрачають швидкість і більшість з них разом з атомами кисню стають негативними іонами. На бар'єрі в цьому випадку з'являється концентрований негативний заряд, що збільшує напруженість поля не лише між позитивним об'ємним зарядом у вістря і бар'єром, але і в зовнішньому просторі (рис. 1.12, б). Тому при негативній полярності вістря збільшення розрядної напруги в проміжку за наявності бар'єру буде незначним. При розташуванні бар'єру в середній частині проміжку, розрядна напруга при негативній і позитивними полярностях близькі. При розташуванні бар'єру в безпосередній близькості від позитивного вістря роль його зменшується внаслідок різкої нерівномірності розподілу зарядів на бар'єрі. Напруженість поля виявляється достатньою для того, щоб іонізаційні процеси проходили але іншу сторону бар'єру. Бар'єр, розташований в безпосередній близькості від негативного вістря, не здатний затримувати швидкі електрони з вістря, які проходять крізь бар'єр до площини.

Рис. 1.12. Розподіл напруженості поля в міжелектродному проміжку за наявності бар'єру: а) - позитивна полярність стержня; б) - негативна полярність стержня; 1 - розподіл напруженості поля без бар'єру; 2 - розподіл напруженості поля з бар'єром

Таким чином, бар'єри в проміжку встановлюються на такій оптимальній відстані від вістря, при якому розрядна напруга максимальна (25-30 % від довжини проміжку між електродами), причому при позитивній полярності вістря розрядна напруга може збільшитися в 2 рази в порівнянні з проміжком без бар'єру (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Вплив бар'єру на пробивну напругу газового проміжку при позитивній (1, 3) і негативній (2, 4) полярностях напруга: 1,2 - пробивна напруга проміжку без бар'єру; 3, 4 - пробивна напруга проміжку з бар'єром

Бар'єри широко використовуються у високовольтних конструкціях, що працюють як в повітрі, так і в маслі (високовольтні введення, трансформатори та ін.). На змінній напрузі електрична міцність на позитивній полярності збільшується і наближається до електричної міцності на негативній полярності.

1.11. Імпульсна міцність ізоляції. Вплив часу додатка напруги на електричну міцність газової ізоляції (вольт-секундна характеристика - всх)

При короткочасних імпульсах значення розрядної напруги повітряних проміжків залежить від тривалості дії. Якщо до проміжку прикладена напруга достатня для пробою, то для розвитку і завершення розряду в проміжку необхідно певний час tр зване часом розряду (см. рис. 1.14).

Рис. 1.14. Тимчасова структура розвитку розряду на імпульсній напрузі

^{Розвиток самостійного розряду} починається з появи в проміжку ефективного початковою електрона, що є випадковою подією. Час очікування ефективного електрона tc схильний до розкиду і називається тому статистичним часом запізнювання розряду. Це перша складова часу розряду. Іншою складовою, що має також статистичний характер являється час формування розряду tф, тобто час від моменту появи початкового електрона до завершення пробою проміжку. Час tc + tф = tз називають часом запізнювання розвитку розряду. При досить великій тривалості фронту імпульсу має значення також час t0, час підйому напруги, що є, до значення UH. Таким чином, в загальному випадку час розряду визначається як:

^t_р ^{ t}_o ^{ t}_c ^{ t}_ф ^{. (1.27)}

^{Складові часу розряду tc і tф залежать від значення напруги на проміжку. При збільшенні напруги підвищується вірогідність того, що електрони, що з'являються в проміжку, стануть ефективними, і tc зменшується. Скорочується також і tф, оскільки при більшій напрузі зростає інтенсивність розрядних процесів і швидкість просування каналу розряду в проміжку. Тому чим вище розрядна напруга, тим менше час розряду.}

Залежність максимальної напруги розряду від часу дії імпульсу називається вольт-секундной характеристикою ізоляції. Оскільки почало і швидкість розвитку іонізаційних процесів залежать від значення напруги, вольт-секундные характеристики залежать від форми імпульсу. З метою уніфікації випробувань і можливості зіставлення ізоляційних конструкцій встановлений стандартний грозовий імпульс з тривалістю фронту (зростання напруги) τ_ф = 1,2 0,4 мкс і тривалістю імпульсу 𝜏_𝑈 =50±10мкс і позначається 1,2/50 мкс (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Визначення параметрів імпульсу напруги

Для експериментального визначення вольт-секундной характеристики до досліджуваного проміжку прикладаються імпульси стандартної форми. При кожному значенні максимальної напруги імпульсу виробляється серія дослідів. Через статистичний розкид часу розряду вольт-секундная характеристика виходить у вигляді області точок (рис. 1.16), для якої вказуються середня крива і межі розкиду часу розряду.

Рис. 1.16. Побудова вольт-секундной характеристики ізоляції за досвідченими даними (грозові імпульси) : 1 - імпульс напруги; 2 - крива середніх значень пробивної напруги; 3 - межі розкиду пробивної напруги

Вид вольт-секундной характеристики залежить від міри неоднорідності електричного поля в проміжку. Для проміжків з однорідним або слабонеоднородным полемо, вольт-секундная характеристика слабо залежить від tр(рис. 1.17, крива 1), і тільки при часах розряду близько 1 мкс і менше розрядна напруга збільшується. Пов'язано це з тим, що розряд в таких проміжках формується за дуже малий час при напрузі рівному початковому значенню і відсутня корона. Відмічені властивості вольт-секундної характеристики дозволяють використовувати проміжок між кульовими електродами, що створюють практично однорідне поле, якщо відстань між електродами менше їх радіусу, як універсальний прилад для виміру максимальних значень напруги.

Вольт-секундные характеристики проміжків з резконеоднородным полем (рис. 1.17, крива 2) мають досить велику крутизну, оскільки в таких проміжках час формування розряду сильно залежить від значення прикладеної напруги. Для таких проміжків при грозових імпульсах характерна велика розрядна напруга U P, чим при змінній напрузі промислової частоти 50 Гц. Відношення

(1.28)

_{називається коефіцієнтом імпульсу.}

Рис. 1.17. ВСХ захисних розрядників і ізоляції : 1 - ВСХ вентильного розрядника (однорідне поле); 2 - ВСХ трубчастого розрядника (резконеоднородное поле); 3 - ВСХ об'єкту, що захищається; 4 - імпульс напруги

Вольт-секундні характеристики широко використовуються для координації ізоляції високовольтного устаткування, тобто для захисту від дії грозових і комутаційних перенапружень. З цією метою об'єкту, що паралельно захищається, включається повітряний розрядник (наприклад, вентильний розрядник) з пологою ВСХ. Надійний захист забезпечуватиметься, якщо ВСХ розрядника (рис. 1.17, крива 1) лежить нижче ВСХ устаткування (крива 3), що захищається, в усьому діапазоні часів впливаючої напруги.