Розряд у повітрі по поверхні ізоляторів

Розглянемо вплив твердого діелектрика на виникнення й розвиток розряду в повітрі уздовж поверхні ізолятора. У конструкції мал. 1.19, а силові лінії електричного поля паралельні поверхні діелектрика й поле однорідне. У конструкції мал. 1.19, б поле неоднорідне й тангенціальна складова напруженості поля на поверхні діелектрика Е _τ переважає над нормальної складовою E_n. У конструкції мал. 1.19, в поле також неоднорідне, але переважає нормальна складова. Перша конструкція порівняно рідко зустрічається в реальних умовах, але зручна при виявленні впливу характеристик діелектрика на виникнення розряду, друга й третя конструкції зустрічаються часто (опорні й прохідні ізолятори).

Рис. 1.19. Характерні конструкції повітряних проміжків із твердим діелектриком

В ізоляційній конструкції мал. 17, а електрична міцність проміжку з діелектриком менше, ніж чисто повітряного проміжку. Це пов'язане з адсорбцією вологи з навколишнього повітря на поверхні діелектрика, а також з мікрозазорами між твердим діелектриком і електродом. Поверхня всіх тіл у вологому повітрі покрита найтоншою плівкою води. Іони, що утворяться в цій плівці під дією електричного нуля, переміщаються до електродів. У результаті цього поле поблизу електродів підсилюється, а в середині проміжку послабляється. Посилення поля в електродів приводить до зниження електричної міцності проміжку. Це зниження тим більше, чим більш гігроскопічний діелектрик.

Наприклад, скло є більше гігроскопічним матеріалом, чим глазурована порцеляна, тому напруга перекриття уздовж поверхні скла нижче, ніж уздовж порцеляни.

Зменшення напруги перекриття ізолятора при наявності мікрозазору між діелектриком і електродом або мікротріщини на поверхні діелектрика пов’язано зі збільшенням у них напруженості поля внаслідок різниці діелектричних проникностей повітря й твердого діелектрика (діелектрична проникність твердого діелектрика в 3-4 рази більше, ніж повітря), збільшення напруженості поля в мікрозазорах приводить до виникнення там іонізаційних процесів, продукти яких (іони й електрони), потрапляючи в основний проміжок, створюють місцеве посилення поля, що приводить до зменшення напруги перекриття.

Для збільшення розрядної напруги проміжку із твердим діелектриком прагнуть використати малогігроскопічні діелектрики або створити покриття з малогігроскопічних матеріалів, що захищають діелектрик від контакту з парами води (наприклад, глазурування поверхні порцеляни), а також забезпечити надійне, без мікрозазорів, сполучення тіла ізолятора з металевими арматурами, використовуючи цементні закладення й еластичні провідні прокладки.

В ізоляційній конструкції на мал. 1.19, б поле неоднорідне, отже, як і у випадку чисто повітряного проміжку, розрядна напруга менше, ніж в однорідному полі. Вплив гігроскопічності діелектрика й мікрозазорів тут якісно таке ж як і в конструкції на мал. 1.19, а, але воно слабше виражено, тому що електричне поле й без того істотно неоднорідно. При досить великій неоднорідності поля в цій ізоляційній конструкції, як і в чисто повітряному проміжку, виникає коронний розряд. Окисли азоту, що утворяться при цьому і озон, впливають на твердий діелектрик. Найбільшу небезпеку коронний розряд представляє для полімерної ізоляції, особливо якщо він має стримерную форму. Температура в каналі стримера досить висока, і зіткнення його з поверхнею діелектрика може приводити до термічного розкладання діелектрика й утворенню обвугленого сліду з підвищеною провідністю. Довжина цього сліду (треку) згодом зростає, що приводить до перекриття ізолятора з необоротною втратою їм електричної міцності.

Всe сказане справедливо й для конструкції на мал. 1.19, в. Більша нормальна складова електричного поля сприяє зближенню каналу стримера з поверхнею діелектрика, що підвищує ймовірність ушкодження діелектрика. Електрична міцність цієї конструкції ще менше, ніж конструкції на мал. 1.19, б. Канали стримерів, що розвиваються уздовж поверхні діелектрика, мають значно більшу ємність відносно внутрішнього (протилежного) електрода, чим у конструкції з перевагою тангенціальної складової нуля. Тому через стримерні канали проходить порівняно великий струм. При певному значенні напруги струм зростає настільки, що температура стримерних каналів стає достатньою для термічної іонізації. Термічно іонізований канал розряду, що розвивається уздовж діелектрика, на поверхні якого нормальна складова напруженості поля перевищує тангенціальну складову, називають каналом ковзного розряду.

Провідність каналу ковзного розряду значно більше провідності каналу стримера. Тому спадання напруги в каналі ковзного розряду менше, а на неперекритій частині проміжку більше, ніж у каналах стримера. Збільшення напруги на неперекритій частині проміжку приводить до подовження каналу ковзного розряду

(1.44)

де

χ₁ — коефіцієнт, визначений дослідним шляхом;

С — питома поверхнева ємність (ємність поверхні діелектрика, по якій розвивається розряд, відносно протилежного електрода;

U — прикладена напруга.

З (1.44) при підстановці замість l _ск відстані між електродами по поверхні діелектрика L, можна визначити значення напруги U _P, необхідної для перекриття ізолятора. Якщо ж прийняти
С = ε ε₀ S / d, де d — товщина діелектрика, а площа S прийнята рівною 1 см² і вважати значення Ud / dt постійним, що в першому наближенні відповідає сталості частоти прикладеної напруги, з (1.44) одержимо вираження для знаходження розрядної напруги:

(1.45)

яке називається формулою Теплера.

З (1.45) випливає, що ріст довжини ізолятора дає відносно мале підвищення розрядної напруги. Тому для збільшення розрядних напруг прохідних ізоляторів зменшують питому поверхневу ємність шляхом збільшення діаметра ізолятора у фланця, з якого можна чекати розвитку розряду. Використовується також нанесення у фланця напівпровідного покриття, що сприяє вирівнюванню розподілу напруги по поверхні ізолятора й, отже, приводить до збільшення розрядних напруг.

При постійній напрузі питома поверхнева ємність практично не впливає на розвиток розряду й значення розрядної напруги виявляється близьким до розрядної напруги чисто повітряного проміжку.