Бар'єрний ефект

Істотний вплив об'ємного заряду на розвиток розряду в проміжку з різконерівномірним полем використовується на практиці для збільшення розрядних напруг ізоляційних проміжків. Це збільшення досягається приміщенням у проміжок бар'єрів із твердого діелектрика (електрокартон, гетинакс і ін.).

При позитивному вістрі позитивні іони осідають на бар'єр і розтікаються по його поверхні тим рівномірніше, чим далі від вістря розташований бар'єр. Це приводить до більше рівномірного розподілу напруженості в проміжку між бар'єром і площиною (мал. 1.12, а) і, отже, до значного збільшення розрядної напруги.

При від’ємній полярності стрижня електрони, рухаючись від вістря, попадають на бар'єр, втрачають швидкість і більшість із них разом з атомами кисню стають від’ємними іонами. На бар'єрі в цьому випадку з'являється концентрований від’ємний заряд, що збільшує напруженість поля не тільки між позитивним об'ємним зарядом у вістря й бар'єром, але й у зовнішньому просторі (мал. 1.12, б). Тому при від’ємній полярності вістря збільшення розрядної напруги в проміжку при наявності бар'єра буде незначним. При розташуванні бар'єра в середній частині проміжку, розрядні напруги як при від’ємній так і позитивній полярності близькі. При розташуванні бар'єра в безпосередній близькості від позитивного вістря роль його зменшується внаслідок різкої нерівномірності розподілу зарядів на бар'єрі. Напруженість поля виявляється достатньої для того, щоб іонізаційні процеси проходили з іншої сторони бар'єра. Бар'єр, розташований у безпосередній близькості від негативного вістря, не здатний затримувати швидкі електрони з вістря, які проходять крізь бар'єр.

Рис. 1.12. Розподіл напруженості поля в міжелектродному проміжку при наявності бар'єра: а) — позитивна полярність стрижня; б) — негативна полярність стрижня; 1 — розподіл напруженості поля без бар'єра; 2 — розподіл напруженості поля з бар'єром

Таким чином, бар'єри в проміжку встановлюються на такій оптимальній відстані від вістря, при якій розрядні напруги максимальні (25-30 % від довжини проміжку між електродами), причому при позитивній полярності вістря розрядна напруга може збільшитися в 2 рази в порівнянні із проміжком без бар'єра (мал. 1.13).

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

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

1.11. Вплив часу прикладення напруги на електричну міцність газової ізоляції (вольт-секундна характеристика - ВСХ)

 

При короткочасних імпульсах значення розрядної напруги повітряних проміжків залежить від тривалості впливу. Якщо до проміжку прикладена напруга достатня для пробою, то для розвитку й завершення розряду в проміжку необхідний певний час t _р яий називається часом розряду (див. рис. 1.14).

Розвиток самостійного розряду починається з появи в проміжку ефективного початкового електрона, що є випадковою подією. Час очікування ефективного електрона t _c має певний розкид, і тому називається статистичним часом запізнення розряду. Це перша складова часу розряду. Інша складова, що має також статистичний характер є час формування розряду t _ф, тобто час від моменту появи початкового електрона до завершення пробою проміжку. Час t_c + t_ф = t_з називають часом запізнювання розвитку розряду.

Рис. 1.14. Часова структура розвитку розряду при імпульсній напрузі	Рис. 1.15. Визначення параметрів імпульсу напруги

При досить великій тривалості фронту імпульсу має значення також час t ₀, що представляє собою час підйому напруги до значення U _H. Таким чином, у загальному випадку час розряду визначається як:

t _р = t _o + t _c + t _ф. (1.35)

Складові часу розряду t _c і t _ф залежать від значення напруги на проміжку. При збільшенні напруги підвищується ймовірність того, що електрони, що з'являються в проміжку, стануть ефективними, і t_c зменшується. Скорочується також і t _ф, 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-секундною характеристикою ізоляції. Оскільки початок і швидкість розвитку іонізаційних процесів залежать від значення напруги, вольт-секундні характеристики залежать від форми імпульсу. З метою уніфікації випробувань і можливості співставлення ізоляційних конструкцій встановлений стандартний грозовий імпульс із тривалістю фронту (зростання напруги) τ _ф =1,2 ± 0,4 мкс і тривалістю імпульсу τ _і = 50 ±10 мкс і позначається 1,2/50 мкс (мал. 1.15).

Для експериментального визначення вольт-секундної характеристики до досліджуваного проміжку прикладаються імпульси стандартної форми. При кожному значенні максимальної напруги імпульсу робиться серія дослідів. В наслідок статистичного розкиду часу розряду вольт-секундна характеристика одержується у вигляді області точок (мал. 1.16), для якої вказуються середня крива й границі розкиду часу розряду.

Рис. 1.16. Побудова вольт-секундної характеристики ізоляції по дослідним даними (грозові імпульси): 1 — імпульс напруги; 2 — крива середніх значень пробивної напруги; 3 — границі розкиду пробивних напруг

Вид вольт-секундної характеристики залежить від ступеня неоднорідності електричного поля в проміжку. Для проміжків з однорідним або слабонеоднорідним полем, вольт-секундна характеристика слабко залежить від t _р (мал. 1.17, крива 1), і тільки при часах розряду порядку 1 мкс і менше розрядна напруга збільшується. Пов'язано це з тим, що розряд у таких проміжках формується за досить малий час при напрузі рівній початковому значенню й відсутній короні. Відзначені властивості вольт-секундної характеристики дозволяють використати проміжок між кульовими електродами, що створюють практично однорідне поле, якщо відстань між електродами менше їхнього радіуса, як універсальний прилад для виміру максимальних значень напруги.

Вольт-секундні характеристики проміжків з різконеоднорідним полем (мал. 1.17, крива 2) мають досить більшу крутизну, оскільки в таких проміжках час формування розряду сильно залежить від значення прикладеної напруги. Для таких проміжків при грозових імпульсах характерні більші розрядні напруги U _P, чим при змінній напрузі промислової частоти 50 Гц. Відношення К_імп=U_Р/U_~ називається коефіцієнтом імпульсу.

Проміжки з однорідним і слабонеоднорідним полями мають коефіцієнт імпульсу K_імп =1 практично у всьому діапазоні часів розряду.

Вольт-секундні характеристики широко використаються для координації ізоляції високовольтного устаткування, тобто для захисту від впливу грозових і комутаційних перенапруг. Із цією метою паралельно об'єкту, що підлягає захисту, включається повітряний розрядник (наприклад, вентильний розрядник) з пологою ВСХ. Надійний захист буде забезпечуватися, якщо ВСХ розрядника (мал. 1.17, крива 1) лежить нижче ВСХ устаткування, що підлягає захисту, (крива 3) у всьому діапазоні часів впливаючих напруг.

Рис. 1.17. ВСХ захисних розрядників і ізоляції: 1 — ВСХ вентильного розрядника (однорідне поле); 2 — ВСХ трубчастого розрядника (резконеоднорідне поле); 3 — ВСХ об'єкта, що підлягає захисту; 4 - імпульс напруги