II. Предварительные сведения

Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток может существенно изменить 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. При повышении приложенного напряжения наблюдается несколько стадий развития поверхностного разряда:

а) коронный разряд у краев электродов, определяющийся прочностными и диэлектрическими характеристиками (Е, ε) и формой электродов;

б) скользящий разряд, возникающий в следствие термической ионизации;

в) полное перекрытие, переходящее в дуговой разряд по поверхности при достаточной мощности источника питания.

Для изучения общих закономерностей развития разрядов вдоль поверх­ностей твердого диэлектрика, необходимых для рационального конструиро­вания изоляторов, используют простейшие изоляционные конструкции с однородными и резконеоднородными полями и с разным положением и состоя­нием поверхности твердого диэлектрика. Так, важнейшие особенности раз­ряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора можно проследить на примере конструкций, показанных на рис. 3.1. Первая из них - с однород­ным электрическим полем - редко встречается в реальных установках, од­нако удобна для изучения влияния ряда факторов на разрядное напряжение.

Конструкции с резконеоднородными полями по рис. 3.1,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, изображенной на рис. 3.1,б во всех точках поверхности твердо­го диэлектрика тангенциальная составляющая напряженности Е_t направ­ленная вдоль поверхности, преобладает над нормальной составляющей Е_п (характерна для опорного изолятора). В другом случае (рис. 3.1,в), наоборот, нормальная составляющая напряженности у поверхности твердого диэлектрика больше тангенциальной (характерна для проходного изолятора). Кроме того, в этом случае канал разряда, развивающегося по поверхности, имеет значительно большую емкость относительно другого электрода, что существенно влияет на разрядное напряжение.

В зависимости от формы электрического поля главное влияние на характер развития разряда по поверхности диэлектрика и на величину напряжения перекрытия оказывают различные факторы.

В случае помещения диэлектрика в равномерное поле (рис. 3.1,а), каза­лось бы, не нарушается постоянство напряженности электрического поля, и поэтому можно было бы предположить, что пробой такого промежутка может наступить в любом месте, а разрядное напряжение окажется таким же, как и для чисто воздушного промежутка. Однако в действительности разряд происходит всегда по поверхности диэлектрика и при напряжении более низком, чем в воздушном промежутке.

Результаты опытов с материалами, имеющими различную поверхностную гигроскопичность, указывают на то, что значительную роль в снижении разрядных напряжений играет адсорбированная диэлектриком влага. Материалы, обладающие большей поверхностной гигроскопичностью (стекло, бакализированная бумага) дают большее снижение разрядных напряжений, чем малогигроскопичные материалы (парафин, винипласт). При этом существенное значение имеет длительность воздействующего напряжения. Более значительное снижение электрической прочности имеет место при постоянном и переменном (50 Гц) напряжениях, чем при импульсах, что свидетельствует об от­носительно медленном развитии влияющего процесса.

Дело в том, что адсорбированная поверхностью диэлектрика влага содер­жит свободные ионы обоих знаков, которые в электрическом поле смещаются, образуя объемные заряды. При этом поле в середине промежутке ослабляется, а вблизи электродов усиливается, т.е. основное поле искажается, становится более неоднородным, что и является причиной снижения разрядного напряжения.

Объемный заряд больше при высокой проводимости по по­верхности, обусловленной гигроскопичностью диэлектрика, и при длительном воздействии напряжения. При коротких импульсах и высокой частоте сместиться успевает малое число ионов, электрическое поле искажается слабо и разрядное напряжение снижается незначительно.

Помимо увлажнения поверхности диэлектрика большое влияние на разряд­ное напряжение могут оказывать воздушные включения между диэлектриком и электродами. В них возникает в результате местного увеличения напря­женности поля, искрение приводящее к значительному (иногда вдвое и больше) снижению напряжения.

В изоляционных конструкциях неплотное прилегание электрода к диэлектрику устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких прокладок или посредством металлизации поверхностей диэлектрика, соприкасающихся с электродами.

Рисунок 3.1 – Характерные конструкции воздушных промежутков с твердым диэлектриком.

А РН ИТ R_защ

ИР

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема испытательной установки.

При расположении электродов по рис.3.1,б (такая конструкция, как уже отмечалось, характерна для опорных изоляторов) нормальная составляющая напряженности электрического поля в этом случае не велика. Величина ее зависит от диэлектрической проницаемости твердой изоляции и ее толщины, поэтому разрядные напряжения получаются различными для разных диэлектриков. Гигроскопические свойства диэлектрика здесь оказывают влияние на разрядное напряжение значительно меньше, чем в однородном поле, так как процессы в адсорбированной на поверхности диэлектрика влаге могут лишь немного увеличить и без того значительную неоднород­ность поля. Поэтому снижение разрядного напряжения в этом промежутке по отношению к прочности чисто воздушного промежутка получается относительно не велико.

Уменьшение напряженности поля вблизи одного из электродов посредством создания внутреннего экрана (рис. 3.4) позволяет существенно увеличить разрядное напряжение такой конструкции при промышленной частоте.

В конструкции, приведенной на рис. 3.1,в, напряженность электричес­кого поля имеет наибольшее значение у края короткого электрода. Поэто­му в этом месте при относительно небольшом напряжении возникает корона, которая наблюдается в виде полоски неяркого свечения. При увеличении напряжения область коронирования расширяется и имеет вид полосы, состоящей из нитевидных слабосветящихся искр (стримеры). Движение образующих­ся в результате ионизации электрических зарядов вдоль поверхности про­исходит под действием тангенциальной составляющей напряженности электри­ческого поля. Нормальная составляющая прижимает разряд к поверхности диэлектрика, поэтому движение зарядов происходит с трением, что и при­водит к местным разогревам поверхности. Температура в отдельных местах возрастает настолько, что становится возможной термическая ионизация. Возникает большое число новых ионов. Сопротивление канала резко падает, ток возрастает. На поверхности диэлектрика в отдельных местах возника­ют яркие искры, так называемые скользящие разряды. Падение напряжения на каналах скользящих разрядов ничтожно мало, поэтому потенциал электрода выносится ими далеко в глубь промежутка. Ионизационный процесс за­хватывает все большую область. Длина скользящих разрядов очень быстро увеличивается с повышением прикладываемого напряжения и, наконец, про­цесс завершается полным перекрытием промежутка между электродами.

Ток, протекающий по каналам скользящих разрядов, поддерживает их высокую проводимость. Чем больше величина тока, тем выше приводимость канала и потенциал на его конце, тем быстрее растет длина скользящего разряда и ниже оказывается напряжение перекрытия. Величина тока, в свою очередь, при переменном напряжении определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду.

При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем больше, чем больше величина этой емкости.

Очевидно, чем больше емкость, тем ниже должно быть разрядное напря­жение, конечно при постоянстве расстояния между электродами по поверх­ности диэлектрика.

Таким образом, разрядное напряжение может быть связано с величиной емкости канала разряда по отношению к противоположному электроду. В ка­честве величины, характеризующей емкость канала, принимается удельная поверхностная емкость, т.е. емкость единицы поверхности, по которой развивается разряд, по отношению к противоположному электроду. Напряже­ние возникновения скользящих разрядов может быть оценено по эмпирической формуле Теплера:

кВ действ., (3.1)

где С - удельная поверхностная емкость в Ф/см².

Поскольку емкость обратнопропорциональна толщине диэлектрика то эту формулу можно переписать в общем виде как:

кВ действ., (3.2)

где d - толщина диэлектрика в см.

Разрядное напряжение может быть оценено по формуле:

кВ действ., (3.3)

где l - длина пути разряда по поверхности диэлектрика в см.

Принципиально иной механизм развития разряда имеет место на загрязненной и увлажненной или просто увлажненной поверхности изоляционной конструкции. Под действием приложенного напряжения через проводящий поверхностный слой протекает ток утечки. Поскольку плотность тока в разных местах сложной изоляционной конструкции различна, то в зонах с наибольшей плотностью тока имеет место подсушка увлажненного слоя загрязнения. Вследствие этого напряжение вдоль поверхности диэлектрика перераспределяется и почти все напряжение оказывается приложенным к подсушенному участку поверхности. В результате этого происходит пере­крытие его с образованием частичной дуги. Ток в канале дуги ограничивается сопротивлением оставшегося влажным участка поверхности. Если сопротивление велико, а ток соответственно мал, то горение дуги оказы­вается неустойчивым и она быстро гаснет, затем вновь зажигается и т.д. Образование кратковременных или, как говорят, перемежающихся дуг не означает нарушения электрической прочности изоляционной конструкции. Однако длительное воздействие перемежающихся дуг на твердый диэлектрик может вызвать его разрушение с образованием на поверхности проводящих обугленных следов-треков, появление которых вызывает резкое снижение разрядного напряжения даже при сухой поверхности диэлектрика.

При некотором значении тока частичная дуга не гаснет, а быстро рас­тягивается, подсушивая все большую часть поверхности диэлектрика. Напряженность на неперекрытой части поверхности при этом быстро возрастает, процесс завершается полным разрядом по поверхности изоляционной конструкции.

Рассмотренный выше механизм перекрытия вдоль поверхности связан с относительно медленным процессом подсушки, который может иметь место лишь при длительно воздействующем рабочем напряжении. При воздействии кратковременных перенапряжений продолжительность их может оказаться недостаточной для растягивания дуги на весь промежуток. Поэтому дождь и влажные загрязнения практически не влияют на импульсные разрядные напряжения вдоль поверхности изоляторов.