15. Электрический разряд в газах. Разряд вдоль поверхности загрязнённого и увлажнённого изолятора. Влагоразрядное напряжение.

Для изоляторов воздушных линий электропередачи одним из главных факторов, вызывающих перекрытие является неизбежное загрязнения взвешенными в атмосфере продуктами индустриальной (выбросы предприятий) и сельско-хозяйственной (минеральные удобрения, продукты эрозии почв) деятельности. Наряду с этим опасные отложения на поверхности открытых изоляционных конструкций в виде солей возникают в приморский районах и в местах интенсивной обработки дорог реагентами. Также перекрытия наружной изоляции могут быть вызваны органическими отложениями на её поверхности, возникающими в результате жизнедеятельности птиц, в случае полимерной изоляции –также микроорганизмов. При периодическом увлажнении слой отмеченных выше загрязнений образует электролит с относительно высокой электропроводностью. При этом возникает ток, протекающий по поверхности изолятора –ток утечки. Данный ток вызывает местный нагрев поверхности с интенсивностью до нескольких ватт на см².

Оценка тока утечки I_у даётся очевидной формулой I_у=U/R_у, где U–напряжение, приложенное к изолятору, сопротивление утечки R_у определяется геометрией изолятора (высота, диаметр), толщиной Δ и удельным электрическим сопротивление слоя загрязнения ρ_n.

Для изолятора цилиндрической формы (рис.1.33) длина участка протекания тока утечки равна высоте цилиндра. При этом . При численных оценках и экспериментальных измерениях использование последней формулы затруднительно, поскольку не представляется возможным измерить реальную толщину слоя загрязнения. Поэтому используется поверхностная проводимость имеющая порядок величин 10^-6 – 10^-5 Ом^-1. При этом выражение для сопротивления утечки имеет вид

Где L_y=L, D - диаметр изолятора. Для эффективного снижения тока утечки за счёт роста длины пути утечки при сохранении габаритов изолятора применяется развитая поверхность, на которой чередуются ребра, имеющие относительно большой диаметр и межрёберные промежутки меньшего диаметра. В результате путь протекания току утечки (длина пути утечки) заметно возрастает. Рост длины пути утечки L_у ведет согласно последней формулы к снижению тока утечки. Сопротивление утечки с учётом оребрения (рис.1.34) можно оценить по формуле

где D(l) переменная по длине пути утечки L (рис. 1.33) соответствии частотой расположения и формой рёбер диаметр изолятора. Формулу для сопротивления утечки можно привести к обычному виду, если ввести в рассмотрение эквивалентный диаметр изолятора

^-1

Отмеченное выше тепловыделение при протекании тока утечки по слою увлажнённого загрязнения его нагрев и высушивание. В результате потери влаги часть загрязняющего слоя может потерять электропроводность. Вероятность одновременного высушивания всего загрязняющего слоя весьма мала, поскольку изоляторы имеют, как правило, ребристую форму. Переменный по высоте диаметр изолятора становится причиной, того что участки поверхности с малым диаметром (межреберного промежутка) имеют более высоко поверхностное электрическое сопротивление.

Поэтому нагреваются несколько выше, остальных участков. Потеря проводимости загрязняющего слоя на относительно коротком участке пути утечки приводит к тому, что значительная часть полного напряжения, приложенного к изолятору, оказывается сосредоточенной на этом коротком участке подсушки. В результате происходит перекрытие этого участка с зажиганием маломасштабной электрической дуги –частичного дугового разряда (ЧДР). Ток ЧДР ограничен электрическим сопротивлением оставшегося загрязняющего слоя на поверхности (рис.1.34).

Д альнейшее развитие процесса зависит от соотношения сопротивления частичной дуги перекрытия и грязевого слоя. Электрическое сопротивление дуги, при атмосферном давлении уменьшается с ростом тока в соответствии с формулой

где E_ЧДР - напряженность электрического поля вдоль канала разряда (В/м), I_Д – токи дуги (А), по опытным данным.

Поэтому, если в результате замещения части загрязненной поверхности дугой суммарное сопротивление уменьшится, то полный ток утечки возрастет. Что вызовет дальнейшее снижение сопротивления дугового участка и более интенсивное подсушивание грязевого слоя. Таким образом, это будет вести к дальнейшему росту частичной дуги вплоть до полного перекрытия изолятора. Второй сценарий возникает, если сопротивление частичной дуги оказывается ниже, чем у грязевого слоя. В этом случае полный ток утечки уменьшается, а вместе с ним возрастет сопротивление дуги, что ведет к ее погасанию. Таким образом, критическим режимом, при котором возникает перекрытие изолятора дугой, является равенство погонных сопротивлений дуги

и грязевого слоя . Поэтому критический ток утечки, при котором зажигание ЧДР приведет к его дальнейшему росту, может быть найден из уравнения

решая которое находим

При I_у<I_к (где после зажигания разряда в зоне подсушки дуга продолжает гореть в течение нескольких секунд до восстановления поверхностной проводимости этого участка под действием продолжающегося увлажнения. После чего процесс подсушки участка возобновляется, и процесс повторяется многократно без перекрытия изолятора.

В случае если I_у >I_к удлинение ЧДР приведёт к безостановочному росту тока утечки. В этом случае сначала наблюдается медленная стадия удлинения, когда интенсивная подсушка имеет место в области опорных точек дуги. При достижении дугой некоторой критической длины напряжённость электрического поля на оставшемся увлажнённом участке поверхности изолятора достигает столь высокого значения, что дуга перекрытия увеличивает свою длину вдоль пути утечки со скоростью до 100м/с («быстрая стадия»), что завершается полным перекрытием изолятора.

Наименьшее напряжение, при котором выполняется условие, I_у≥I_к называется влагоразрядным и может быть найдено как

где

Из полученной для влагоразрядного напряжения изолятора U_p формулы следует, что его высокие значения могут быть обеспечены за счёт увеличения длины пути утечки L. При этом строительная высота изолятора H (рис.1.34) может оставаться ограниченной благодаря развитой за счёт увеличения диаметра и числа рёбер поверхности изоляционной конструкции.

Для предотвращения перекрытия наружной изоляции вследствие загрязнения её поверхности применяются следующие мероприятия:

1.Очищение атмосферы (золоуловители, фильтры, повышение высоты дымовых труб, переход на газовое топливо).

2.Увеличение длины пути утечки изоляторов L за счёт увеличения числа и диаметра рёбер.

3.Очистка изоляции от загрязнений струёй сжатого воздуха, струёй воды под высоким давлением или импульсной струёй воды с высокой удельной проводимостью воды.

4.Непрерывное дождевание изоляторов слабыми струями воды.

5.Защитное покрытие изоляторов гидрофобной пастой один раз в 3-6 месяцев.

6.Периодическое определение интенсивности загрязнения путем измерения тока утечки на изоляторе под рабочим напряжением и его нормирование (устанавливается предельное значение тока утечки).