Разряд в воздухе по поверхности изоляторов

Рассмотрим влияние твердого диэлектрика на возникновение и развитие разряда в воздухе вдоль поверхности изолятора. В конструк­ции рис. 1.19, а силовые линии электрического поля параллельны по­верхности диэлектрика и поле однородно. В конструкции рис. 1.19, б поле неоднородно и тангенциальная составляющая напряженности поля на поверхности диэлектрика Е_т преобладает над нормальной состав­ляющей E_n. В конструкции рис. 1.19, в поле также неоднородно, но пре­обладает нормальная составляющая. Первая конструкция сравнительно редко встречается в реальных условиях, но удобна при выявлении влия­ния характеристик диэлектрика на возникновение разряда, вторая и тре­тья конструкции встречаются часто (опорные и проходные изоляторы).

В изоляционной конструкции рис. 17, а электрическая проч­ность промежутка с диэлектриком меньше, чем 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 ноля, 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.

Рис. 1.19. Характерные конструкции воздушных промежутков с

твердым диэлектриком

Например, стекло является более гигроскопичным материа­лом, чем глазурованный фарфор, поэтому напряжение перекрытия вдоль поверхности стекла ниже, чем вдоль фарфора.

Уменьшение напряжения перекрытия изолятора при наличии микрозазора между диэлектриком и электродом или микротрещины на поверхности диэлектрика связно с увеличением в них напряженности поля вследствие различия диэлектрических проницаемоетей воздуха и твердого диэлектрика (диэлектрическая проницаемость твердого ди­электрика в 3-4 раза больше, чем воздуха), увеличение напряженности поля к 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 стремятся использовать малогигроскопичные ди­электрики или создать покрытия из малогигроскопичных материалов, защищающие диэлектрик от контакта с парами воды (например, глазу­ровка поверхности фарфора), а также обеспечить надежное, без микро­зазоров, сопряжение тела изолятора с металлической арматурой, ис­пользуя цементные заделки и эластичные проводящие прокладки.

В изоляционной конструкции на рис. 1.19, б поле неоднород­ное, следовательно, как и в случае чисто воздушного промежутка, раз­рядное напряжение меньше, чем в однородном поле. Влияние гигроско­пичности диэлектрика и микрозазоров здесь качественно такое же. как и в конструкции на рис. 1.19, а, но оно слабее выражено, так как электри­ческое поле и без того существенно неоднородно. При достаточно большой неоднородности поля в этой изоляционной конструкции, как и в чисто воздушном промежутке, 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 обугленного следа с повышенной проводи­мостью. Длина этого следа (трека) со временем возрастает, что приво­дит к перекрытию изолятора с необратимой потерей им электрической прочности.

Все сказанное справедливо и для конструкции на рис. 1.19, 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 конструкции на рис. 1.19, б. Каналы стримеров, развивающихся вдоль поверхности диэлектрика, имеют зна­чительно большую емкость по отношению к внутреннему (противопо­ложному) электроду, чем в конструкции с преобладанием тангенциаль­ной составляющей ноля. 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 нормальная составляющая напряженности поля превы­шает тангенциальную составляющую, называют каналом скользящего разряда.

Проводимость канала скользящего разряда значительно боль­ше проводимости канала стримера. Поэтому падение напряжения в ка­нале скользящею 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 противоположною электрода. Влия­ние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, со­гласно которой длина канала скользящего разряда

(1.36)

где

коэффициент, определяемый опытным путем;

удельная поверхностная емкость (емкость поверхности диэлектри­ка, по которой развивается разряд, относительно противоположного электрода;

приложенное напряжение.

Из (1.36) при подстановке вместо расстояния между элек­тродами по поверхности диэлектрика L, можно определить значение на­пряжения Up , необходимого для перекрытия изолятора. Если же при­нять , где d — толщина диэлектрика, а площадь S принята равной 1 см² и считать значение постоянным, что в первом приближении соответствует постоянству частоты приложенного напряже­ния, из (1.36) получим выражение для нахождения разрядного напряже­ния:

, (1.37)

которое называется формула Теплера.

Из (1.37) следует, что рост длины изолятора дает относительно малое повышение разрядного напряжения. Поэтому для увеличения разрядных напряжений проходных изоляторов уменьшают удельную поверхностную емкость путем увеличения диаметра изолятора у флан­ца, с которого можно ожидать развития 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 удельная поверхностная емкость практически не влияет на развитие разряда и значение разрядного на­пряжения оказывается близким к разрядному напряжению чисто воз­душного промежутка.

1.14.1. Разряд вдоль проводящей и загрязненной поверхности изо­лятора

В условиях эксплуатации поверхности изоляторов всегда за­грязняются. Как правило, сухие загрязнения, имеющие высокое сопро­тивление и не влияющие на распределение напряжения по поверхности изолятора, не снижают заметно его разрядного напряжения. Увлажне­ние слоя загрязнения моросящим дождем или росой приводит к умень­шению сопротивления слоя загрязнения, изменению распределения на­пряжения по поверхности изолятора и в результате — к снижению его разрядного напряжения.

Механизмы перекрытия изолятора под дождем и при загряз­ненной и увлажненной поверхности сходны. 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 на отдельных участках изо­лятора из-за сложной конфигурации его поверхности, то нагревание слоя загрязнения происходит также неравномерно. На тех участках изо­лятора, где плотность тока наибольшая, происходит интенсивное испа­рение воды и образуются подсушенные участки с повышенным сопро­тивлением. Распределение напряжения по поверхности изолятора меня­ется. Почти все напряжение, воздействующее на изоляцию, оказывается приложенным к подсушенным участкам. В результате этою подсушен­ные участки перекрываются искровыми каналами, называемыми час­тичными перемежающими дугами. Сопротивление искрового канала меньше сопротивления подсушенного участка поверхности изолятора, поэтому ток утечки возрастает. Возрастание тока утечки приводит к дальнейшему подсушиванию слоя загрязнения, а следовательно, и к увеличению его сопротивления.

Интенсивное подсушивание поверхности изолятора у концов дуг приводит к их удлинению. Подсушивание всей поверхности ведет к снижению тока утечки, а увеличение длины частичных дуг к его росту. Если результатом этого будет уменьшение тока утечки, то дуги погас­нут, если же ток утечки будет расти, то частичные дуги будут удлинять­ся и перекроют весь изолятор. Так как параметры частичной дуги и ко­личество дуг, одновременно существующих на поверхности изолятора, случайны, то и перекрытие также является случайным событием, харак­теризуемым определенной вероятностью. Вероятность перекрытия изо­лятора повышается с увеличением воздействующего напряжении, так как при этом возрастает ток утечки, что благоприятствует удлинению частичных дуг до полного перекрытия изолятора.

Из приведенной картины развития разряда следует, что раз­рядные напряжения изоляторов будут тем выше, чем меньше ток утеч­ки:

, (1.38)

где

— ток утечки по изолятору;

— сопротивление утечки по поверхности изолятора.

Если слой загрязнения имеет толщину с удельным объем­ным сопротивлением , то для цилиндрического гладкого изолятора диаметром D:

, (1.39)

где

длина пути утечки.

Из (1.38) и (1.39) следует, что

.

Следовательно, разрядное напряжение изолятора будет воз­растать с увеличением длины пути утечки и уменьшением диаметра изолятора:

.

Так как процессы подсушки поверхности изолятора происхо­дят относительно медленно, то при кратковременных перенапряжениях они не успевают развиться и напряжение перекрытия бывает выше, чем при длительном воздействии напряжения.

Влагоразрядное напряжение изолятора зависит от характери­стик слоя загрязнения, его количества и состава, а также от интенсивно­сти и вида увлажнения. Большое разнообразие видов загрязнения, встречающихся в условиях эксплуатации, не позволяет выбрать единст­венное, "стандартное" загрязнение, которое можно было бы наносить на поверхность изоляторов при определении влагоразрядных напряжений. Наиболее правильно разрядные напряжения в реальных условиях за­грязнения и увлажнения могут быть определены из опыта эксплуатации.