ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА

(развитие разряда в воздухе вблизи поверхности твердого диэлектрика в изоляционных конструкциях с комбинированной изоляцией «твердый диэлектрик – воздух» и влияние на их пробивное напряжение различной конфигурации электрического поля)

 

Конструкции с комбинированной изоляцией «твердый диэлектрик – воздух» рассчитываются так, чтобы при появлении перенапряжений их пробой происходил не по твердому диэлектрику, а по воздуху. Это во многих случаях приводит к восстановлению изоляции после исчезновения перенапряжения или отключения рабочего напряжения, поддерживающего разряд. Развитие разряда, приводящее к пробою, в таких конструкциях обычно происходит в газовом слое, непосредственно соприкасающимся с поверхностью твёрдого диэлектрика. Такой разряд принято называть поверхностным.

Присутствие твёрдого диэлектрика может существенно изменять условия и даже механизм развития газового разряда. При этом величина разрядного напряжения, как правило, снижается (до 1,5…2 раз и более) и зависит уже не только от формы электрического поля и атмосферных условий, но ещё и от свойств твёрдого диэлектрика, состояния его поверхности (загрязнение, увлажнение, дождь, механические повреждения) и расположения её относительно силовых линий электрического поля.

Основные особенности разряда вдоль чистой и сухой поверхности изолятора, определяющие при этих условиях величину сухоразрядного напряжения, можно проследить на примере конструкций, показанных на рис. 2.1. В том или ином виде эти характерные случаи встречаются во многих изоляционных конструкциях.

Рис. 2.1. Характерные изоляционные конструкции с твёрдым диэлектриком: а – диэлектрик в однородном поле; б – опорный изолятор; в – проходной изолятор

 

1. В конструкции, показанной на рис. 2.1, а, поле между электродами, казалось бы, однородное, и пробой промежутка возможен в любой части воздушной изоляции. Однако в действительности пробой всегда развивается вдоль поверхности диэлектрика при разрядном напряжении существенно меньшем, чем у чисто воздушного промежутка. Это связано с наличием воздушных микрозазоров между торцами диэлектрика и электродами, а также конденсирующейся на диэлектрике влагой.

Известно, что на перпендикулярной силовым линиям границе раздела двух сред напряжённости электрического поля в средах обратно пропорциональны их диэлектрическим проницаемостям:

E ₁∙e₁ = E ₂∙e₂.

Поэтому напряженность в воздушном микрозазоре между электродом и торцом диэлектрика оказывается в несколько раз больше, чем средняя напряженность в изоляционном промежутке:

E _В = E _Д∙e_Д/e_В,

где E _В – напряженность поля в воздушном микрозазоре; E _Д – напряженность поля в диэлектрике, практически равная средней напряженности изоляционного промежутка E _Д ≈ E _СР = U/S (U – величина напряжения, а S – расстояние между электродами); e_В ≈ 1 и e_Д ≈ 4…6 – диэлектрические проницаемости соответственно воздуха и диэлектрика.

В результате местного усиления электрического поля в микрозазорах при некотором относительно небольшом напряжении начнётся ионизация. Образовавшиеся электроны и ионы, попав на боковую поверхность диэлектрика, будут смещаться к электродам противоположной полярности.

При этом электроны, оказавшись в более слабом поле, чем в микрозазорах, замедляются. Их столкновение с нейтральными частицами приводит к образованию отрицательных ионов. В результате, на поверхности ионами формируются объемные заряды обеих знаков, смещенные относительно друг друга. Это вызовет искажение (неравномерность) поля вдоль поверхности, что и приведёт к снижению разрядного напряжения. Для устранения микрозазоров стыки между арматурой и диэлектрикомцементируют или заливают смолами, или устанавливают эластичные прокладки.

При относительной влажности окружающего воздуха не менее (60…70)% на поверхности диэлектрика происходит конденсация влаги. Электрическое поле способствует распаду молекул воды на ионы. Перемещение ионов к электродам противоположной полярности также приводит к искажению поля вдоль поверхности диэлектрика, и следовательно, к снижению разрядного напряжения. Влияние влаги проявляется сильнее у более гигроскопичных материалов (стекло и др.). Напротив, глазуровка поверхности фарфора снижает его гигроскопичность, повышая тем самым разрядное напряжение. Повышению электрической прочности способствует также использование плохо смачиваемых (гидрофобных) материалов (фторопласт и кремнийорганическая резина) и специальных покрытий, затрудняющих распространение влаги по поверхности изолятора. Влияние микрозазоров и конденсата влаги на разрядное напряжение при поверхностном пробое проявляется и в появлении дополнительных участков с неоднородным электрическим полем. Однако, за счет этого существенного снижения напряжения пробоя не происходит, так как поле и до этого было неоднородно.

2. В конструкции, характерной для опорных изоляторов (рис. 2.1, б), электрическое поле резконеоднородное с преимущественно тангенциальной (к поверхности твердого диэлектрика) составляющей напряженности. Нижний электрод (фланец) изолятора обычно бывает соединен с заземлёнными конструкциями, имеющими значительную поверхность. Поэтому напряжённость поля у фланца ниже, чем у верхнего электрода изолятора («шапки»), от которого и начинается развитие поверхностного разряда.

В начальной стадии разряда на поверхности изолятора у «шапки» появляется корона. Образующиеся при этом озон и окислы азота воздействуют на поверхность диэлектрика, постепенно разрушаяее. Наибольшую опасность корона может представлять для полимерной изоляции, имеющей более низкую термостойкость, чем электротехнический фарфор и стекло. При стримерной короне температура в канале разряда может оказаться достаточной, чтобы вызвать образование на поверхности диэлектрика обугленного следа с повышенной проводимостью. Постепенно длина следа (трека) будет возрастать, что приведет к необратимому снижению электрической прочности изолятора.

В отличие от проходного изолятора (см. п. 3 ниже), стримерные каналы коронного разряда имеют небольшую емкость относительно противоположного электрода. Поэтому ток в них мал, температура каналов недостаточна для появления термической ионизации, и образование скользящего по поверхности диэлектрика разряда оказывается невозможным. Вследствие этого разрядное напряжение по поверхности опорного изолятора получается существенно выше, чем у проходного изолятора при одинаковых разрядных расстояниях, и приближается в случае сухой и чистой поверхности к разрядному напряжению чисто воздушного промежутка с резконеоднородным полем («стержень – плоскость»). Увеличить разрядное напряжение опорного изолятора можно, снизив напряженность поля вблизи «шапки», например, развивая ее металлическую часть во внутрь твердого диэлектрика. При этом увеличенивается эквивалентная площадь поверхности электрода, что приводит к снижению поверхностной плотности электрического заряда на нем и, как следствие, приводит к ослаблению электрического поля. Возможно путем создания кольцевых ребер на поверхности твердого диэлектрика воссоздать эффект экрана, частично выравнивающего электрическое поле между электродами.

3. В конструкции, характерной для проходных изоляторов (рис. 2.1, в), электрическое поле резконеоднородное с преимущественно нормальной составляющей напряженности. Отличительной особенностью конструкции является относительно небольшая толщина диэлектрика между токоведущим стержнем изолятора (внутренним электродом) и фланцем (наружным электродом), расположенным на боковой поверхности изолятора. Вследствие этого ёмкость между электродами изолятора оказывается достаточно большой. Когда на боковой поверхности со стороны фланца появляются стримеры (их можно рассматривать как продолжение фланца), увеличивается емкость между электродами, что значительно увеличивает ток в каналах разряда, существенно влияя на механизм развития разряда.

Эквивалентная схема замещения проходного изолятора показана на рис. 2.2. Такая схема позволяет объяснить неравномерное распределение напряжения вдоль поверхности изолятора, и, как следствие, возникновение короны и начало развития разряда у фланца. Действительно, если между внутренним электродом 1 и фланцем 2 приложено напряжение, то в схеме появляются токи, замыкающиеся как по путям утечки, характеризуемым удельным поверхностным сопротивление изолятора ρ₀, так исквозь толщу диэлектрика, являясь токами смещения через емкости С ₀ (здесь С ₀ – ёмкость единицы поверхности изолятора относительно внутреннего электрода, называемая удельной поверхностной ёмкостью ). Как следует из схемы замещения, наибольшие токи протекают по участкам поверхности, расположенным непосредственно у фланца, уменьшаясь по мере удаления от него. Поэтому и падения напряжения на участках поверхности будут наибольшими также около фланца. В результате напряжение между фланцем и точками на поверхности изолятора U_X увеличивается нелинейно по мере удаления от фланца, значительно изменяясь вблизи фланца и мало меняясь вблизи противоположного электрода. Следовательно, напряженность поля вдоль поверхности, равная градиенту напряжения

E _x = – grad U _x = – дU _x /дx,

будет наибольшей около фланца. Причем величина напряженности тем выше, чем меньше отношение 1/(ρ₀∙ω С ₀), характеризующее степень неравномерности распределения напряжения вдоль поверхности изолятора. Таким образом, ещё при относительно небольшом межэлектродном напряжении у фланца возникает корона, которая проявляется в виде акустического шума и прилегающей к фланцу полосы ровного неяркого свечения.

При увеличении напряжения область коронирования расширяется, и появляются многочисленные слабо светящиеся каналы – стримеры. В каналах стримеров под действием продольной составляющей напряжённости поля протекает ток, который замыкается током смещения в диэлектрике, отделяющем канал от токоведущего стержня (внутреннего электрода). Величина тока смещения при этом определяется нормальной составляющей напряженности электрического поля к поверхности изолятора. При относительно небольшой толщине диэлектрика каналы стримеров, развивающихся вдоль его наружной поверхности, имеют достаточно большую ёмкость по отношению к токоведущему стержню изолятора. Вследствие этого результирующее сопротивление рассматриваемой цепи оказывается небольшим, и в каналах стримеров могут протекать существенные токи, разогревающие канал. При определённой величине напряжения температура газа в отдельных каналах возрастает настолько, что в них возбуждается термическая ионизация. Кроме того, наличие значительной нормальной составляющей напряженности электрического поля в рассматриваемой конструкции из-за относительно тонкой стенки изолирующего цилиндра повышает результирующую напряженность. В результате интенсивность ионизационных процессов вдоль внешней поверхности изолятора возрастает, а сами каналы разряда резко преобразуются: сопротивление их существенно уменьшается, толщина и интенсивность свечения увеличиваются.

Рис. 2.2. Эквивалентная схема замещения (а) и кривая распределения напряжения (б) вдоль поверхности проходного изолятора

 

Нормальной составляющей электрического поля разряд (заряды в каналах разряда) прижимаются к поверхности диэлектрика, а тангенциальная составляющая двигает заряды вдоль поверхности, создавая продольную относительно поверхности составляющую тока разряда. Такая форма стримерного разряда называется скользящим разрядом (скользящим вдоль поверхности диэлектрика). Падение напряжения на каналах скользящих разрядов невелико. Поэтому потенциал электрода выносится по ним далеко вглубь промежутка, что позволяет ионизационному процессу охватывать большую область.

Длина каналов скользящих разрядов l _СК зависит от величины приложенного напряжения. По данным Теплера она изменяется по выражению

,

где С ₀ – удельная поверхностная емкость; χ – коэффициент, определяемый опытным путём; U, du/dt – действующее значение и скорость нарастания приложенного к электродам напряжения.

При дальнейшем повышении напряжения каналы перекрывают промежуток между электродами, при этом происходит полный пробой воздуха вдоль поверхности диэлектрика, т. е. разряд по поверхности изолятора.

Скользящие разряды нередко смешивают с перекрытием по поверхности диэлектрика. Из приведённого описания видно, что эти явления существенно различны. Скользящий разряд не доходит до противоположного электрода и представляет собой частичную ионизацию воздуха вдоль поверхности диэлектрика. Светящаяся нить скользящего разряда проводит лишь относительно небольшой ток, замыкающийся через емкость диэлектрика. Между тем, перекрытие представляет собой полное нарушение изолирующей способности воздуха вдоль поверхности изолятора от одного электрода до другого, следствием чего возможно образование дуги тока короткого замыкания.

Чем больше величина тока в канале скользящего разряда, тем выше температура канала, тем больше его проводимость, тем быстрее и сильнее растёт длина скользящего разряда, обеспечивая уменьшение напряжения перекрытия. При переменном напряжении величина тока определяется емкостью канала разряда по отношению к противоположному электроду. При одинаковых приложенных напряжениях ток в канале будет тем выше, чем больше величина этой ёмкости. Поэтому для увеличения разрядного напряжения можно, не меняя расстояние между электродами по поверхности диэлектрика, уменьшать удельную поверхностную ёмкость. С этой целью, во-первых, увеличивают диаметр изолятора у фланца, где наблюдается наибольшая напряженность поля перед началом развития разряда, и тем самым затрудняют возникновение короны и последующего ее перерастанием в скользящий разряд. Во-вторых, наружную поверхность изолятора выполняют ребристой, что увеличивает длину изоляционной поверхности, одновременно уменьшая среднюю величину удельной поверхностной ёмкости. Снижение удельной поверхностной емкости также может быть достигнуто замещением части твердого диэлектрика воздухом. Руководствуясь этим, отечественными специалистами были разработаны и освоены в производстве облегченные изоляторы большого диаметра.

При постоянном напряжении, приложенном к изолятору, удельная поверхностная ёмкость практически не влияет на развитие разряда, и разрядное напряжение при поверхностном пробое оказывается близким к напряжению разряда чисто воздушного промежутка. Напротив, при повышенных частотах и импульсном воздействии развитие скользящих разрядов облегчается, а напряжение разряда уменьшается.

Падение напряжения, равно как и напряженность электрического поля на поверхности изолятора у фланца можно снизить путем принудительного снижения сопротивления по поверхности. Нанесение специальных полупроводящих покрытий (красок, металлооксидных пленок) на поверхность изолятора вблизи фланца за счет локального снижения поверхностного сопротивления даже при больших токах через нее позволяет выровнять распределение напряжения по поверхности и затруднить как появление коронного разряда, так и дальнейшее развитие ионизационных процессов.

Вопросы и задания для самоподготовки

1. Как и почему будут отличаться разрядные напряжения, определяемые в ходе выполнения п. п. 2 и 3 программы работы?

2. В каком месте и почему возникает корона у проходного изолятора?.

3. Поясните механизм появления скользящих разрядов на поверхности проходного изолятора.

2. Как и почему отличаются напряжения начала коронирования и скользящих разрядов, а также сухоразрядные напряжения для опорного и проходного изоляторов?

3. Какие конструктивные решения принимаются для увеличения напряжения перекрытия изоляторов?

4. Каковы конструкции и области применения опорных и проходных изоляторов высокого напряжения.

5. В чем состоят характерные особенности керамических, стеклянных и полимерных изоляторов? Каковы их достоинства и недостатки?

6. Перечислите способы защиты от поверхностных пробоев из-за загрязнения и увлажнения.