1.1.12. Поверхневий розряд

 

Загальна характеристика поверхневого розряду. Внесення твердого діелектрика в повітряний проміжок може істотно змінювати умови й механізм розвитку розряду. Величина розрядної напруги при цьому знижується й залежить від тиску газу й форми електричного поля, властивостей твердого діелектрика, стану його поверхні й розташування щодо силових ліній електричного поля. Розряд уздовж поверхні діелектрика називається поверхневим розрядом. Закономірності розвитку розрядів уздовж поверхні твердого діелектрика необхідно знати для раціонального конструювання ізоляторів, які є важливими складовими високовольтних ізоляційних конструкцій.

Розглянемо вплив твердого діелектрика на виникнення й розвиток розряду в повітрі уздовж поверхні ізолятора. У конструкції рис. 1.14, а силові лінії електричного поля паралельні поверхні діелектрика й поле є слабооднорідним.

 /

Рис. 1.14. Характерні конструкції повітряних проміжків
із твердим діелектриком

У конструкції 1.14, б поле неоднорідне й тангенціальна складова напруженості поля на поверхні діелектрика Е_t переважає над нормальної складової Е_n. У конструкції рис. 1.14, в поле також неоднорідне, але переважає нормальна складова. Перша конструкція порівняно рідко зустрічається в реальних умовах, але зручна для визначення впливу характеристик діелектрика на виникнення розряду, друга й третя конструкції зустрічаються часто (опорні й прохідні ізолятори). В ізоляційній конструкції рис. 1.14, а електрична міцність проміжку з діелектриком менше, ніж чисто повітряного проміжку (рис. 1.15, крива 5). Це пов'язано з адсорбцією вологи з навколишнього повітря на поверхні діелектрика, а також з мікрозазорами між твердим діелектриком й електродом у потрійній точці. Поверхня всіх тіл у повітрі покрита найтоншою плівкою води. Іони, що утворяться в цій плівці під дією електричного поля, переміщаються до електродів. У результаті цього поле поблизу електродів підсилюється, а в середині проміжку послабляється. Посилення поля біля електродів приводить до зниження електричної міцності проміжку. Це зниження тим більше, чим гігроскопічний діелектрик. Наприклад, скло є більш гігроскопічним матеріалом, чим глазурована порцеляна, тому напруга перекриття уздовж поверхні скла нижча, ніж уздовж порцеляни.

Зменшення напруги перекриття ізолятора при наявності мікрозазору між діелектриком й електродом або мікротріщин на поверхні діелектрика пов'язане зі збільшенням у них напруженості поля внаслідок розходження діелектричних проникностей повітря й твердого діелектрика (діелектрична проникність твердого діелектрика в 2-10 разів більше, ніж повітря). Збільшення напруженості поля в мікрозазорах приведе до іонізації й посилення поля в основному проміжку й зменшенню напруги перекриття (рис. 1.15, крива 4).

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

В ізоляційній конструкції на рис. 1.14, б поле неоднорідне, отже й у випадку тільки повітряного проміжку розрядна напруга меншае, ніж в однорідному полі. Вплив гідроскопічності діелектрика й мікрозазорів тут якісно таке ж, як й у конструкції на рис. 1.14, а, але воно слабкіше виражено, тому що електричне поле й без того істотно неоднорідне (рис. 1.16). При досить великій неоднорідності поля в цій ізоляційній конструкції, як й у чисто повітряному проміжку, виникає коронний розряд. Озон, оксиди  азоту, що утворяться при цьому, впливають на твердий діелектрик. Найбільшу небезпеку коронний розряд представляє для полімерної ізоляції, особливо якщо він має стримерну форму. Температура стримера досить висока, і зіткнення його з поверхнею діелектрика може привести до термічного розкладання діелектрика і утворенню обвугленого сліду з підвищеною провідністю. Довжина цього сліду (треку) згодом зростає, що приводить до перекриття ізолятора з необоротною втратою їх електричної міцності. Все сказане справедливе й для конструкції на рис. 1.14, в. Більша нормальна складова електричного поля сприяє зближенню стримера з поверхнею діелектрика, що підвищує ймовірність ушкодження діелектрика. Електрична міцність цієї конструкції ще менша, ніж конструкції на рис. 1.14, б. Стримери, що розвиваються уздовж поверхні діелектрика, мають значно більшу ємність стосовно внутрішнього (протилежного) електроду, ніж у конструкції з перевагою тангенціального складового поля. Тому через стримери протікає порівняно великий струм. При певному значенні напруги струм зростає настільки, що температура стримерів 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 більша провідності плазми стримера. Збільшення напруги на не перекритій частині проміжку приводить до подовження каналу ковзного розряду й повному перекриттю проміжку при меншому значенні напруги між електродами.

 

4

3

2

1

UПР, кВ max

16

12

8

4

0

20

40

60

80

l, см

l, см

8

6

4

2

80

60

40

20

0

UПР, кВ max

5

4

3

2

1

 

Довжина каналу ковзного розряду залежить від його провідності, а отже, від значення струму в ньому. У свою чергу струм залежить від напруги між електродами, зміни напруги і ємності стримера щодо протилежного електрода. Вплив цих параметрів відображено в емпіричній формулі Теплера, відповідно до якої довжина каналу ковзного розряду

 

                                                   (1.42)

 

де a – коефіцієнт, знайдений дослідним  шляхом; С – питома поверхнева ємність (ємність одиниці поверхні діелектрика, по якій розвивається розряд).

З (1.42) при підстановці замість l_ск відстані між електродами по поверхні діелектрика L можна визначити значення напруги U_р, необхідного для перекриття ізолятора. Якщо ж прийняти С= ee_0/d, де d – товщина діелектрика, і вважати значення du/dt постійним, що в першому наближенні відповідає сталості частоти прикладеної напруги, то з (1.42) одержимо:

 

                            .                   (1.43)

 

З (1.43) слідує, що ріст довжини ізолятора дає відносно мале підвищення розрядної напруги. Тому для збільшення розрядних напруг прохідних ізоляторів компенсують питому поверхневу ємність установкою екрана біля фланця, з якого можна чекати розряду. Використовується також нанесення біля 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, і значення розрядної напруги виявляється близьким до розрядної напруги повітряного проміжку.

В умовах експлуатації поверхні ізоляторів завжди забруднюються. Однак, як правило, сухі забруднення, що мають високий опір і не впливають на розподіл, по поверхні ізолятора, не знижують помітно його розрядної напруги. Зволоження шару забруднення дощем, що мрячить, або росою приводить до зменшення опору шару забруднення, зміні розподілу напруги по поверхні ізолятора, і в результаті - до зниження його розрядної напруги.

Механізми перекриття ізолятора під дощем і при забрудненій і зволоженій поверхні подібні. Розглянемо розвиток розряду у випадку, коли поверхня ізолятора забруднена й зволожена.

Під дією прикладеного до ізолятора напруги по зволоженому шарі забруднення проходить струм витоку, що нагріває його. Тому що забруднення розподілене по поверхні ізолятора нерівномірно й щільність струму витоку неоднакова на окремих ділянках ізолятора через складну конфігурацію його поверхні, то нагрівання шару забруднення відбувається також нерівномірно. На тих ділянках ізолятора, де щільність струму найбільша, забруднюючий шар тонше, відбувається інтенсивний випар води й утворяться підсушені ділянки з підвищеним опором. Розподіл напруги по поверхні ізолятора змінюється. Майже вся напруга, що впливає на ізоляцію, виявляється прикладеним до підсушених ділянок. У результаті цього підсушені ділянки перекриваються іскровими каналами, що називаються частковими дугами. Опір іскрового каналу менше опору підсушеної ділянки поверхні ізолятора, тому струм витоку зростає. Зростання струму витоку приводить до подальшого підсушування шару забруднення, а отже, і до збільшення його опору.

Інтенсивне підсушування поверхні ізолятора в кінці дуг приводить до їхнього подовження. Підсушування всієї поверхні веде до зниження струму витоку, а збільшення довжини часткових дуг - до його росту. Якщо результатом цього буде зменшення струму витоку, то дуги згаснуть, якщо ж струм витоку буде рости, то часткові дуги будуть подовжуватися й перекриють весь ізолятор. Так як, параметри часткової дуги й кількість дуг, що одночасно існують на поверхні ізолятора, випадкові, то і перекриття також є випадковою подією, що характеризується певною ймовірністю. Імовірність перекриття ізолятора підвищується зі збільшенням напруги, що впливає, тому що при цьому зростає струм витоку, що сприяє подовженню часткових дуг до повного перекриття ізолятора.

З наведеної картини розвитку розряду слідує, що розрядні напруги ізоляторів будуть тим вище, чим менше струм витоку

 

                                  I_у = U_у/R,                          (1.44)

 

де R_у – опір витоку по поверхні ізолятора.

Якщо шар забруднення має товщину D з питомим об'ємним опором r, то для циліндричного гладкого ізолятора діаметром D

 

                                                   (1.45)

 

де L_у – довжина шляху витоку.

З (1.44) і (1.45) треба, що

 

                                                   (1.46)

 

Отже, розрядна напруга ізолятора буде зростати зі збільшенням довжини шляху витоку і зменшенням діаметра ізолятора:             

                                                           (1.47)

 

Так як процеси підсушування поверхні ізолятора відбуваються відносно повільно, то при короткочасних перенапругах вони не встигають розвитися й напруга перекриття буває вище, ніж при тривалому впливі напруги.

Вологорозрядна напруга ізолятора залежить від характеристик шару забруднення (його кількості й складу), а також від інтенсивності й виду зволоження. Велика розмаїтість видів забруднення, що зустрічаються в умовах експлуатації, не дозволяє вибрати єдине, «стандартне» забруднення, яке можна було б наносити на поверхню ізоляторів при визначенні вологорозрядних напруг. Найбільш правильно розрядні напруги в реальних умовах забруднення й зволоження можуть бути визначені з досвіду експлуатації.