5.5. Поверхностный пробой.
Поверхностный разряд— пробой воздуха между электродами по поверхности твердого диэлектрика.
Выше был рассмотрен механизм пробоя и влияние различных факторов на электрическую прочность воздуха для случаев, когда воздух являлся единственным диэлектриком, заполнявшим межэлектродное пространство. Между тем используемые на практике диэлектрики имеют неоднородное строение. Например, в твердых диэлектриках (электрокартон, пластмассы, керамика и др.) всегда присутствуют поры и различные включения, в жидких диэлектриках — газовые пузырьки, коллоидные частицы и вещества, образующие эмульсии и суспензии. Широко используют слоистые диэлектрики (гетинакс, текстолит, миканиты и др.). Поэтому большое практическое значение имеет знание картины распределения вектора напряженности электрического поля в многослойных диэлектриках в зависимости от расположения поверхности раздела диэлектрических сред относительно силовых линий поля, а также от их электрических и физико-химических свойств.
Часто встречаемые диэлектрические конструкции состоят из двух диэлектрических сред, находящихся в различных агрегатных состояниях. Наиболее часто встречается комбинация твердый диэлектрик — воздух. При внесении в равномерное электрической поле диэлектрика картина поля искажается, поле становится неоднородным.
После внесения твердого диэлектрика в однородное поле, это поле в межэлектродном пространстве становится неоднородным, и пробой наступает при более низком напряжении.
Практически всегда вектор напряженности электрического поля имеет тангенциальную составляющую, действующую по касательной к поверхности диэлектрика.
Действие тангенциальной составляющей поля зависит не только от физической природы и характеристик диэлектрика, но и от состояния поверхности, подвергающейся воздействию электрического поля. На поверхности твердого диэлектрика всегда имеется пленка адсорбированной из воздуха влаги, которая в зависимости от природы диэлектрика является сплошной или прерывистой, толщиной от мономолекулярного слоя и более. Вода в пленке частично диссоциирована, а с увеличением непрерывности и толщины пленки количество ионов возрастает. Чем больше εиλsтвердого диэлектрика, меньше краевой угол смачиванияθ, сильнее загрязнена его поверхность ионогенной примесью, выше относительная влажность воздуха и температура, тем толще пленка адсорбированной влаги и тем, следовательно, больше в ней ионов. У стекол, кроме того, часть ионов щелочных металлов, являющихся структурными элементами стекла, переходит в адсорбированную влагу, увеличивая концентрацию заряженных частиц.
Таким образом, электропроводность образующейся на поверхности твердого диэлектрика пленки адсорбированной из воздуха влаги является решающим фактором в нарушении однородности электрического поля, в результате чего разрядное напряжение Upснижается.
Особенно значительно Upснижается при плохом прилегании электродов к поверхности твердого диэлектрика. В этом случае электрическое поле в межэлектродном пространстве становится еще более неоднородным, в результате разрядное напряжение снижается.
Если поверхность твердого диэлектрика сильно шероховатая и содержит трещины, то в этих местах образуются воздушные микрозазоры, которые оказываются включенными последовательно с твердым диэлектриком. Из-за разных значений диэлектрической проницаемости воздуха и твердого диэлектрика напряженность поля в микрозазорах повышается и, достигнув начальной напряженности, вызывает ионизацию воздушных включений. Ионизация, в свою очередь, становится дополнительным фактором усиления неоднородности поля и снижения Up.
Из вышеизложенного вытекают три практических вывода.
Первый — радикальным и почти единственным методом повышения Upизоляторов в реальных условиях, когда присутствие влаги в воздухе неизбежно, является удлинение пути смещения ионов по поверхности (удлинение пути тока утечки) путем устройства ребер и юбок.
Второй — использование материалов с минимальной гигроскопичностью, т. е. материалов с минимальной диэлектрической проницаемостью и удельной поверхностной электропроводностью и максимальным краевым углом смачивания (например, политетрафторэтилен, кремнийорганическая резина).
Третий — недопустимость неплотного прилегания электродов к диэлектрику в электроизоляционных конструкциях, так как это ведет к существенному падению Up. Эти дефекты устраняют с помощью цементирующих замазок, мягких токопроводящих прокладок или металлизацией поверхности диэлектрика, соприкасающейся с электродом.
В развитии поверхностного разряда выделяются следующие фазы развития поверхностного разряда: вначале на коротком электроде (обычно он имеет вид фланца) возникает свечение в виде короны. По мере повышения напряжения из коронирующего слоя прорываются неустойчивые искровые разряды в виде стримеров, длина которых быстро растет с увеличением напряжения. Затем появляются отдельные скользящие разряды, представляющие собой неполный поверхностный пробой. Завершается процесс полным поверхностным перекрытием.
Скользящие искровые разряды и особенно дуговой разряд, имея высокую температуру канала (несколько тысяч градусов), обжигают поверхность диэлектрика, оставляя на ней, после снятия напряжения, след — трек.
Особенно опасен такой разряд для органических диэлектриков. Трек имеет более высокую проводимость и поэтому вызывает резкое снижение Upпри повторной подаче напряжения даже в случае сухой поверхности твердого диэлектрика. Поэтому при выборе материала для изготовления изоляторов нужно учитывать его трекингостойкость, т. е. стойкость к действию скользящих разрядов.
Коронный разряд также повреждает поверхность твердого диэлектрика при длительном воздействии (окисление, разрушение). При этом могут корродировать и металлические части (электроды) электроизоляционных конструкций.