ЛЕКЦИЯ 7

РАЗДЕЛ 4 Разряды по поверхности твердых диэлектриков

4.1Общие сведения

4.2Разряд вдоль поверхности в однородном поле

4.2Разряд вдоль поверхности в резконеоднородном поле

4.3Особенности развития разряда по увлажненной и загрязненной поверхности

4.1 Общие 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.

Многообразие изоляционных конструкций с твердым диэлектриком может быть сведено к трем характерным случаям.

В конструкции показанной на рис. 4.1, а поле, казалось бы, однородно. Силовые линии электрического поля параллельны поверхности диэлектрика. Данная конструкция сравнительно редко встречается в реальных установках, но удобна при выявлении влияния характеристик диэлектрика на возникновение разряда.

Рис. 4.1, б. Поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика преобладает над

нормальной составляющей (Еt>En). Данная конструкция встречается часто – опорные изоляторы.

Рис. 4.1, в. Поле также неоднородно, но преобладает нормальная составляющая (Еt<En). Данная конструкция встречается часто – проходные изоляторы.

4.2Разряд вдоль поверхности в однородном поле

Вприсутствии диэлектрика (рис. 4.1, а) электрическое поле, казалось бы, остается однородным. Поэтому естественно предположить, что пробой такого промежутка может произойти в любом месте, а разрядное напряжение будет таким же, как и для чисто воздушного промежутка.

Это связано с адсорбцией влаги из окружающего воздуха на поверхности диэлектрика, а также с микрозазорами между твердым диэлектриком и электродом.

Поверхность всех тел во влажном воздухе покрыта тончайшей пленкой воды. Ионы, образующиеся в этой пленке под действием электрического поля, перемещаются к электродам. В результате этого поле вблизи электродов усиливается, а в середине промежутка ослабляется. Усиление поля у электродов приводит к снижению электрической прочности промежутка. Это снижение тем больше, чем гигроскопичнее диэлектрик.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связано с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемостей воздуха и твердого диэлектрика.

Нормальная составляющая вектора электростатической индукции на границе двух диэлектриков остается непрерывной, то есть:

Dn1= Dn2 ;

ε1ε0En1= ε2ε0En2 , откуда

Диэлектрическая проницаемость воздуха в 3-4 раза меньше, чем твердого диэлектрика, поэтому, согласно выражению(4.1), в микрозазоре произойдет местное усиление поля. Увеличение напряженности поля в микрозазорах приводит к возникновению там ионизационных процессов, продукты которых (ионы и электроны), попадая в основной промежуток,

создают местное усиление поля, приводящее к уменьшению напряжения перекрытия.

Для увеличения разрядного напряжения промежутка с твердым диэлектриком необходимо:

1.Использовать малогигроскопичные диэлектрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов (например, глазуровка фарфора).

2.Обеспечить надежное, без микрозазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, используя цементные заделки и эластичные прокладки.

4.3Разряд вдоль поверхности в резконеоднородном поле

В конструкции рис.4.1,б, электрическое поле неоднородно. Поэтому у нее разрядное напряжение при прочих равных условиях ниже, чем у конструкции с однородным полем. Влияние гигроскопичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же, как и в конструкции на рис. 4.1,а, но оно слабее выражено, так как электрическое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля 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 трека.

Трек – обугленный след с повышенной проводимостью, образующийся в результате термического разложения диэлектрика.

Длина трека со временем возрастает, что приводит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 4.1,в. Большая нормальная составляющая электрического поля способствует сближению канала стримера с поверхностью диэлектрика, что повышает вероятность повреждения диэлектрика. Электрическая прочность этой конструкции еще меньше, чем у 4.1,б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют значительно большую емкость по отношению к внутреннему (противоположному) электроду, чем в конструкции с преобладанием Еt. Поэтому через стримерные каналы проходит сравнительно большой ток. При определенном значении напряжения ток возрастает настолько, что температура стримерных каналов становится достаточной для термической ионизации. Термически ионизированный канал разряда, развивающегося вдоль диэлектрика, на поверхности которого Еt<En, называют каналом скользящего разряда.

Скользящий разряд – разряд развивающийся вдоль диэлектрика, на поверхности которого нормальная составляющая напряженности поля превышает тангенциальную.

Проводимость канала скользящего разряда значительно больше проводимости канала стримера. Поэтому падение напряжения в канале скользящего разряда меньше, а на неперекрытой части промежутка больше, чем в каналах стримера. Увеличение напряжения на неперекрытой части промежутка приводит к удлинению канала скользящего разряда и полному перекрытию промежутка при меньшем значении напряжения между электродами.

Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала стримера относительно противоположного электрода. Длина канала скользящего разряда определяется эмпирической формулой Теплера:

где χ – коэффициент, определяемый опытным путем; С – удельная поверхностная емкость (емкость единицы поверхности

диэлектрика, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода);

U – напряжение между электродами.

Из (4.2) при подстановке вместо lск расстояние между электродами по поверхности диэлектрика L можно определить значение напряжения Uр,

необходимого для перекрытия изолятора. Если принять C = εεd0 , где d –

толщина диэлектрика, и считать dUdt = const , что в первом приближении

соответствует постоянству частоты приложенного напряжения, то из (4.2) получим:

L = χ1C 2U 5p,25 , откуда

Из (4.3) следует, что рост длины изолятора L дает относительно малое повышение Up. Поэтому для увеличения Up проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у фланца, с которого можно ожидать развитие разряда. Используется также нанесение у фланца полупроводящего покрытия, что способствует выравниванию распределения напряжения по поверхности изолятора и, следовательно, приводит к увеличению разрядных напряжений. При постоянном напряжении С практически не влияет на развитие разряда и значение Up оказывается близким к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка.

4.4Особенности развития разряда по увлажненной и загрязненной поверхности

Катмосферным воздействиям, приводящим к значительному снижению напряжений перекрытия (разрядных напряжений) изоляторов, относятся дождь и увлажненные загрязнения их поверхности.

В сухом состоянии изоляторы имеют разрядные напряжения (сухоразрядные), которые как при промышленной частоте, так и при импульсах мало зависят от типа изоляторов и определяются длиной воздушного промежутка:

- для гирлянд подвесных или колонок опорных изоляторов

воздушный промежуток равен строительной длине гирлянды lГ=nH, где Н – строительная высота одного изолятора, n – число изоляторов в гирлянде;

- для гирлянд с защитной арматурой – наименьшему расстоянию между арматурой и заземленным элементом конструкции.

Перекрытие изолятора под дождем связано с образованием на его поверхности проводящей пленки воды и подсушиванием отдельных участков поверхности токами утечки, что приводит к возникновению частичных дуг и их удлинению. Так как значение тока утечки зависит от интенсивности дождя и его проводимости, то на мокроразрядные напряжения влияют характеристики дождя. С целью унификации испытания изоляторов проводятся под стандартным дождем: сила дождя 3 мм/мин, для

коммутационных импульсов 2 мм/мин, удельное сопротивление 100±10 Ом·м при температуре 20 ºС, угол падения 45º, структура – капельная.

Значение мокроразрядного напряжения существенно зависит от формы изолятора. Нижние поверхности изоляторов наружной установки практически не смачиваются дождем. Это ограничивает ток утечки и приводит к повышению мокроразрядного напряжения.

Электрическую прочность гирлянд (колонок) однотипных изоляторов под дождем принято характеризовать средней мокроразрядной напряженностью:

где Uмр – мокроразрядное напряжение гирлянды (колонки) изоляторов; lГ =nH – строительная длина гирлянды.

Значение Емр зависит от типа изоляторов и, например, для тарельчатых подвесных изоляторов изменяется от 2,0 до 2,6 кВ/см при напряжении частотой 50 Гц.

В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда загрязняются. Однако, как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопротивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения.

Механизмы перекрытия изолятора под дождем и при загрязненной и увлажненной поверхности схожи. Рассмотрим развитие разряда в случае, когда поверхность изолятора

загрязнена и увлажнена.

Под действием приложенного к изолятору напряжения по увлажненному слою загрязнения проходит ток утечки, нагревающий его. Так как загрязнение распределено по поверхности изолятора неравномерно и плотность тока утечки неодинакова из-за сложной конфигурации поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно (рис. 4.4.1). На участках с большей плотностью тока и меньшей толщиной слоя загрязнения, происходит интенсивное испарение воды и образуются подсушенные

участки с повышенным сопротивлением (рис.4.4.2). Распределение

Влагоразрядное напряжение изолятора зависит от характеристик слоя загрязнения – количества, состава, интенсивности и вида увлажнения. Наиболее правильно разрядные напряжения могут быть определены из опыта эксплуатации. В настоящее время принято определять влагоразрядные напряжения при нанесении на поверхности изоляторов твердого вещества (цемента) с последующим увлажнением водой или сконденсированным паром, а также в атмосфере соленого тумана.

На рис. 4.6 приведены результаты испытания изоляторов ПФ6-А, загрязненных цементом, при напряжении частотой 50 Гц и различных интенсивностях увлажнения. Минимум влагоразрядных напряжений соответствует интенсивности увлажнения J=10-12 мм/ч. Снижение Uвр при возрастании J связано с увеличением проводимости слоя загрязнения, приводящим к возрастанию тока утечки, интенсивной подсушке поверхности изолятора и образованию частичных дуг. Одновременно с подсушкой поверхности изолятора идет процесс увлажнения. При интенсивности увлажнения, превышающей 10-12 мм/ч, количество влаги, поступающей в единицу времени на поверхность изолятора, начинает превышать количество влаги, испаряющейся в единицу времени. Помимо этого происходит вымывание из слоя загрязнения растворимых веществ и вследствие этого рост удельного сопротивления загрязняющего слоя. Это затрудняет образование подсушенных участков на поверхности изолятора и приводит к росту разрядных напряжений.